曝光劑量精度誤差分析研究

高愛梅，宮 晨，張 乾，黃曉鵬

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

隨著光刻分辨率的提高，對(duì)線寬均勻性(CDU，Critical Dimension Uniformity)的要求也越來越高。涂膠、曝光、顯影、刻蝕等一系列工藝都會(huì)影響CDU。其中，曝光工藝的劑量控制是影響CDU的一個(gè)重要因素，因此，光刻工藝中需要精確控制曝光劑量[1]。

在光刻工藝中，能夠得到最佳光刻圖形的曝光劑量稱為最佳曝光劑量。最佳曝光劑量與光刻膠的型號(hào)、膠厚及曝光圖形結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。曝光劑量有一個(gè)裕度范圍，曝光劑量變化控制在此裕度內(nèi)，才能得到線寬均勻性滿足要求的圖形。對(duì)i線光刻機(jī)，劑量裕度一般為15%～20%。影響劑量裕度的因素主要包括劑量精度、劑量重復(fù)精度、照明均勻性、膠厚均勻性等。本文對(duì)影響劑量裕度的劑量控制精度和劑量重復(fù)精度2個(gè)重要參數(shù)展開研究，分析影響其精度的因素，建立劑量精度誤差模型，并結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 劑量控制模型

1.1 劑量精度定義

圖1解釋了劑量精度和重復(fù)性的概念。平均值更接近目標(biāo)值，則精度更高；多次測(cè)量數(shù)據(jù)彼此更接近，則重復(fù)性更高。

圖1 劑量精度和重復(fù)性

式中，Eset為設(shè)定的劑量值；Emean為多次劑量測(cè)量結(jié)果平均值；

Emax為劑量測(cè)量結(jié)果最大值；Emin為劑量測(cè)量結(jié)果最小值；

1.2 劑量控制策略

在步進(jìn)光刻機(jī)上，劑量控制的對(duì)象包括光源、衰減器、快門和能量傳感器，一般光源的功率和衰減檔位調(diào)節(jié)場(chǎng)景較少，在線曝光流程中主要控制快門開關(guān)時(shí)間實(shí)現(xiàn)劑量大小控制，通過照明光路中的能量傳感器（簡(jiǎn)稱ES）實(shí)時(shí)采集能量數(shù)據(jù)做劑量反饋。設(shè)備使用中因光學(xué)系統(tǒng)透過率變化等原因，需要通光硅片面的點(diǎn)能量傳感器（簡(jiǎn)稱SS）測(cè)量實(shí)際照度，標(biāo)定ES的系數(shù)（kratio），kratio=ESS/EES。如圖2所示，硅片面的劑量值=硅片面照度×曝光時(shí)間，其中，曝光時(shí)間包括快門全開時(shí)間和快門開啟關(guān)閉時(shí)間。

圖2 劑量控制模型

E=E0+W×t，E0為快門全開時(shí)段的劑量，W為等效光強(qiáng)，t為等效時(shí)間。

2 劑量精度誤差分析

劑量精度是曝光工藝中需要控制的重要因素，直接影響曝光圖形質(zhì)量，通過對(duì)影響劑量精度原因的分析，建立了誤差模型并分析各項(xiàng)誤差大小，為劑量精度的優(yōu)化控制提供理論依據(jù)。

2.1 誤差項(xiàng)分解

依據(jù)劑量控制策略，影響劑量精度的因素主要有ES的重復(fù)精度和線性度，SS的重復(fù)精度和線性度，ESS/EES的比例系數(shù)為kratio，快門開關(guān)重復(fù)時(shí)間。

圖3 劑量精度誤差分解

前5項(xiàng)因素單位均為百分比，直接影響劑量精度，快門開關(guān)重復(fù)時(shí)間對(duì)劑量精度的影響，與硅片面照度和劑量大小相關(guān)。此時(shí)，劑量精度公式修正為E'=E0+W×（t±t0），t0為快門開關(guān)重復(fù)時(shí)間，t0對(duì)劑量精度的影響大小為（E-E'）/E=（W×t0）/E。

劑量精度要求≤1.5%，劑量重復(fù)精度要求≤0.5%，根據(jù)劑量誤差模型分析，分解到各誤差項(xiàng)的誤差值，如表1所示，作為劑量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

表1 劑量精度誤差預(yù)算

2.2 劑量精度測(cè)試

依據(jù)劑量誤差分解值開展劑量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，搭建能量測(cè)試臺(tái)，分別測(cè)試ES和SS傳感器的重復(fù)精度和線性度，測(cè)試快門開關(guān)重復(fù)時(shí)間。在光刻設(shè)備上測(cè)試比值kratio。各指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的劑量精度核算結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)測(cè)誤差項(xiàng)對(duì)應(yīng)的劑量精度

根據(jù)劑量精度和重復(fù)精度定義進(jìn)行劑量測(cè)試，分別測(cè)50、80、100、150、200、300、400、500 mJ·cm-2劑量下的劑量精度和重復(fù)精度，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 劑量精度和重復(fù)性測(cè)試

由表3可知，劑量50 mJ·cm-2時(shí)，快門重復(fù)性對(duì)劑量精度影響較大，快門等效光強(qiáng)標(biāo)定誤差大，導(dǎo)致劑量精度超差，其它劑量值下的精度和重復(fù)精度均滿足指標(biāo)，且與劑量誤差分解指標(biāo)匹配度較好。因此，設(shè)定劑量小于100 mJ·cm-2時(shí)，衰減片調(diào)至50%檔位，通過降低硅片面照度減小快門重復(fù)性對(duì)劑量精度的影響。通過測(cè)試驗(yàn)證，衰減片50%檔位時(shí)，50 mJ·cm-2劑量下的劑量精度0.884，重復(fù)精度0.372，滿足設(shè)計(jì)需求。

重復(fù)連續(xù)測(cè)試1 h后，劑量精度下降到7.4%，分析其原因發(fā)現(xiàn)，快門常開連續(xù)測(cè)試時(shí)，ES和SS傳感器受溫度影響，呈現(xiàn)一定的長(zhǎng)期漂移，且趨勢(shì)不完全相同，導(dǎo)致kratio=ESS/EES比值變化較大，進(jìn)而影響劑量精度。從誤差模型可以看出，kratio是影響劑量精度的最大誤差項(xiàng)，模擬實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，按曝光場(chǎng)布局和曝光流程重新規(guī)劃測(cè)試方案如表4所示，批流程之間做一次劑量精度測(cè)試，連續(xù)測(cè)試1 h，劑量精度沒有明顯變化，滿足指標(biāo)需求。

表4 劑量精度和重復(fù)性測(cè)試

4 結(jié)束語

線寬均勻性作為光刻機(jī)的核心指標(biāo)之一，是評(píng)價(jià)光刻工藝穩(wěn)定和光刻設(shè)備性能的主要依據(jù)，而曝光劑量是影響線寬均勻性的主要參數(shù)。本文針對(duì)i線步進(jìn)式光刻機(jī)，重點(diǎn)分析了影響劑量控制精度和重復(fù)精度的因素，建立劑量精度誤差模型，并通過劑量精度測(cè)試驗(yàn)證了模型的可信度，為光刻設(shè)備的劑量設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。從誤差模型可以看出，影響劑量精度的主要誤差項(xiàng)是kratio比值，這個(gè)值隨光源波動(dòng)、照明均勻性變化、光學(xué)系統(tǒng)的鏡片膜層變化、能量傳感器的熱漂移和性能老化等因素有關(guān)，因此，應(yīng)定期校正kratio比值，以實(shí)現(xiàn)劑量精度的精確控制。