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光刻就是通過(guò)曝光，把掩模版上的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上，再利用刻蝕等技術(shù)把圖案轉(zhuǎn)移到芯片上，這個(gè)圖案可以是用于形成器件的離子注入分布，也可以是多晶硅或金屬的連線。我們要在掩模版上形成什么圖案，取決于設(shè)計(jì)公司的版圖，制作芯片先要有芯片的設(shè)計(jì)，IC的前端設(shè)計(jì)就是寫(xiě)代碼，主要是設(shè)計(jì)芯片的功能，IC的后端設(shè)計(jì)就是把前端的代碼轉(zhuǎn)換成器件通過(guò)金屬線在物理上的連接(當(dāng)然還是虛擬的，只有芯片在Fab中制造出來(lái)才是真實(shí)的)，在這個(gè)過(guò)程中就形成了版圖。整個(gè)有特定功能的芯片，稱之為“die”，放大來(lái)看，是由最底部的器件和很多連線組成的，這些連線分為很多層，層與層之間通過(guò)“via”來(lái)連接，就像蓋樓一樣，先蓋一層然后是立柱，然后是二層，這樣就形成了一個(gè)整體。

接下來(lái)進(jìn)入正題，“die”的版圖是由設(shè)計(jì)公司提供的，最終的制造也是要把die中一層一層的圖案全部通過(guò)掩模版→光刻→刻蝕等實(shí)現(xiàn)在晶圓上，來(lái)正確實(shí)現(xiàn)芯片的功能。那么一張掩模版(也叫mask，光罩)上只有die的圖案嗎？當(dāng)然不是，圖1簡(jiǎn)單的展示了一張光罩的大概形式，可以簡(jiǎn)單的分為三個(gè)區(qū)域。

圖1 光罩上的三個(gè)區(qū)域

正中間的四個(gè)淺藍(lán)色方塊區(qū)域①是四個(gè)完全相同的die，die與die之間以及周圍的一小條虛線包圍的區(qū)域②叫做 “scribeline” 即劃片道，這兩個(gè)區(qū)域合起來(lái)是曝光區(qū)域，也叫“shot”。shot之外的部分是光罩的第三個(gè)區(qū)域，基本上是不會(huì)曝光的。一張mask包含這三個(gè)區(qū)域，所有這些區(qū)域里面都有什么圖案呢？

首先，die里面已經(jīng)說(shuō)過(guò)了，是實(shí)現(xiàn)芯片功能的全部圖案，也是最終需要的。fab制作完成后，會(huì)通過(guò)劃片機(jī)把每一個(gè)die都切出來(lái)，經(jīng)過(guò)封裝之后就成為了真正的芯片，所以光罩上的其他區(qū)域都是輔助作用。

Shot外的區(qū)域(③)主要用于放置掩膜版的編碼、預(yù)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)，整場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)等，這里面的圖案除了在整場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)的時(shí)候是不會(huì)曝光在wafer上的。簡(jiǎn)單展開(kāi)說(shuō)一下預(yù)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)和整場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)，預(yù)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)是為了讓掩模版與放置掩模版的工作臺(tái)對(duì)準(zhǔn)，原理如圖2所示。預(yù)對(duì)準(zhǔn)還包括晶圓與放置晶圓的工作臺(tái)之間的對(duì)準(zhǔn)，掩膜工作臺(tái)與晶圓工作臺(tái)的對(duì)準(zhǔn)，原理基本相同。

圖2 二極管在掩模版的預(yù)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)上方照明，光線透過(guò)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)，被探測(cè)器接受；每個(gè)探測(cè)器分為對(duì)稱的四個(gè)區(qū)域，可以分別探測(cè)光信號(hào)并判斷出標(biāo)識(shí)偏離的相對(duì)位置

而整場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)是在第一次曝光時(shí)被刻在wafer左右兩邊用于每個(gè)硅片粗對(duì)準(zhǔn)的，粗對(duì)準(zhǔn)就是在預(yù)對(duì)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步對(duì)準(zhǔn)掩模版和wafer。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，粗對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記不在shot中而是在整個(gè)wafer的兩邊，后面要提到的精對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)是在每個(gè)shot內(nèi)部都有。下圖3是預(yù)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記和粗對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記在mask上的位置。

圖3 預(yù)對(duì)準(zhǔn)和粗對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記在mask上的位置

接下來(lái)是scribeline區(qū)域，這里面的東西可就多了。

1.精對(duì)準(zhǔn)的標(biāo)識(shí)，Nikon光刻機(jī)的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)如下圖4所示，

（a）                                       (b)

圖4 a圖適用于Nikon光刻機(jī)的激光步進(jìn)對(duì)準(zhǔn)方式(LSA), 右圖適用于Nikon光刻機(jī)的場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)方式(FIA)，現(xiàn)在標(biāo)識(shí)的方向光刻機(jī)可測(cè)出每個(gè)shot的x方向的位置，旋轉(zhuǎn)90度就可測(cè)出y方向上的位置

在每一個(gè)shot里會(huì)放置在x方向和y方向上，測(cè)量這兩個(gè)標(biāo)識(shí)，就能測(cè)出曝光區(qū)域也就是shot的中心位置，從而對(duì)準(zhǔn)當(dāng)前層的shot與參考層的shot，為了光刻機(jī)效率一般會(huì)測(cè)量20~30個(gè)shot的位置來(lái)推算出整個(gè)wafer上shot位置的分布，用這個(gè)網(wǎng)格分布進(jìn)行當(dāng)前層的曝光從而與參考層對(duì)準(zhǔn)，這就是在預(yù)對(duì)準(zhǔn)和粗對(duì)準(zhǔn)之上的精對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)然，這樣曝光出來(lái)肯定也不是完全對(duì)準(zhǔn)的，也會(huì)有套刻誤差，這里可以參考本公眾號(hào)的上一篇文章，套刻誤差修正實(shí)際上是在對(duì)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上進(jìn)行的修正。

2. CD bar，也可以叫CD棒，這個(gè)東西就是條狀的圖案結(jié)合在一起的，有很多種不同的形狀，大概長(zhǎng)下圖這樣，

圖5 各種CD bar的樣式

它的作用是用來(lái)測(cè)CD，也就是圖案的寬度(line)和間距(space)，因?yàn)檎嬲坛鰜?lái)的CD要跟版圖一樣才是符合要求的，選擇劃片道中不同位置的CD bar進(jìn)行測(cè)量，如果尺寸都能和版圖上的尺寸對(duì)應(yīng)上，就認(rèn)為die內(nèi)部的CD也是沒(méi)有問(wèn)題的，說(shuō)明光刻的工藝滿足要求，可以繼續(xù)進(jìn)行下面的工藝。

3. Over lay，就是套刻標(biāo)記。

4. ROT，拼接標(biāo)識(shí)，長(zhǎng)下圖這樣

圖6 拼接標(biāo)識(shí)

我們之前講對(duì)準(zhǔn)都是說(shuō)當(dāng)前層對(duì)準(zhǔn)參考層，那要是第一層曝光，沒(méi)有參考層的時(shí)候呢？這時(shí)候就沒(méi)辦法進(jìn)行粗對(duì)準(zhǔn)和精對(duì)準(zhǔn)了，只有預(yù)對(duì)準(zhǔn)之后直接進(jìn)行曝光，曝光之后要看的是shot與shot之間的重疊部分效果如何，通過(guò)測(cè)量版旋轉(zhuǎn)標(biāo)記來(lái)體現(xiàn)。

圖7 拼接標(biāo)識(shí)在shot中的位置以及曝光之后重疊部分的狀態(tài)

拼接標(biāo)識(shí)被放置在shot中曝光區(qū)域重疊的位置，曝光結(jié)束后，左右兩個(gè)標(biāo)識(shí)會(huì)對(duì)在一起，齒與齒之間的偏差就是重疊的誤差。拼接誤差的測(cè)量結(jié)果通過(guò)計(jì)算反饋到光刻機(jī)中進(jìn)行修正，來(lái)讓shot之間重疊的更好，跟套刻誤差修正原理類似。

5. search標(biāo)記，Nikon的標(biāo)記大概長(zhǎng)下圖這樣，是為了光刻機(jī)能夠探測(cè)到圖案的位置。

圖8 Nikon光刻機(jī)的search標(biāo)識(shí)，拜訪的方式是x方向從左往右間距變大，y方向從上到下間距變大

除了以上這些，還有光學(xué)關(guān)鍵尺寸的OCD標(biāo)記，用于測(cè)膜厚的PAD區(qū)域以及用于電性測(cè)試的Testkey，這幾部分屬于量測(cè)和測(cè)試(WAT)的內(nèi)容，以后會(huì)陸續(xù)跟大家分享，不在這里贅述了。

最后總結(jié)一下，整片光罩上基本上就有下圖中的這些東西，die區(qū)域是真正需要的、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能的芯片，而其他部分都是制造過(guò)程中用來(lái)輔助的。