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套刻誤差是光刻工藝中最重要的概念之一，什么是套刻誤差呢？

在芯片制造工藝中，圖案是先存在于掩模版(Mask，也叫光罩)之上，之后經(jīng)過曝光顯影轉(zhuǎn)移到光刻膠上，再經(jīng)過刻蝕等工藝轉(zhuǎn)移到wafer上，然后去掉光刻膠，圖案就存在于wafer上。例如，下圖是通過光刻以及刻蝕產(chǎn)生金屬連線的過程，

圖1 套刻簡(jiǎn)化過程

 一開始的金屬膜層是全部覆蓋在wafer表面的，通過光刻把掩模版上的圖案?jìng)鬟f到光刻膠上，刻蝕掉多余的金屬再去掉光刻膠，就在表面留下了金屬線條。那么現(xiàn)在金屬線條就是已有的圖形了。隨后要在wafer上繼續(xù)通過光刻膠圖案刻蝕出通孔來連接金屬線，就要光刻膠和金屬線條進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，金屬線條稱為參考層，通孔對(duì)應(yīng)的光刻膠圖案稱為當(dāng)前層，當(dāng)前層與參考層之間的偏差就是套刻誤差，套刻誤差越小越好，如果偏差過大導(dǎo)致通孔沒有和金屬線連在一起將導(dǎo)致斷路，這是芯片制造中必須要避免的。

帶有參考層的wafer進(jìn)入到光刻機(jī)里以后，光刻機(jī)會(huì)自動(dòng)把當(dāng)前層的掩膜版與參考層的圖案進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，然后進(jìn)行曝光，最終表現(xiàn)出來的是光刻膠圖案與參考層圖案的對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)的好不好呢？就要通過單獨(dú)的量測(cè)設(shè)備測(cè)量套刻誤差來判斷，套刻誤差足夠小則不需要調(diào)整，如果過大，就需要把測(cè)量結(jié)果經(jīng)過一系列的計(jì)算反饋到光刻機(jī)里進(jìn)，光刻機(jī)根據(jù)這些參數(shù)修正之后，wafer再傳入光刻機(jī)，掩膜版與參考層就會(huì)對(duì)的更準(zhǔn)，能達(dá)到要求了。

稍微展開說一下套刻誤差修正的具體過程。

首先是套刻誤差的測(cè)量，設(shè)備主要是KLA的Archer，顯然，套刻誤差測(cè)量需要參考層與當(dāng)前層的圖案，但是這個(gè)圖案不是上面例子中真正的芯片中的連線，而是放在shot(一次曝光的區(qū)域)邊緣的、專門設(shè)計(jì)用來測(cè)量套刻誤差的圖案，這里就展示一個(gè)比較簡(jiǎn)單的圖案“box in box”，外圈是參考層刻蝕形成的圖案，內(nèi)圈是當(dāng)前層的光刻膠圖案，ΔX和ΔY代表偏離中心的值就是套刻誤差。

圖2 “box in box”型的套刻標(biāo)記，ΔX和ΔY就是在x和y方向上的套刻誤差，右圖是套刻標(biāo)記在shot中的位置

 一個(gè)shot一般會(huì)測(cè)量四個(gè)或以上個(gè)數(shù)的套刻標(biāo)記，一個(gè)wafer一般測(cè)量9個(gè)或以上個(gè)數(shù)的shot，這樣我們就得到了很多的套刻誤差數(shù)據(jù)，怎么根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行修正呢？最簡(jiǎn)單的是線性修正，使用線性模型對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)做模型分析：套刻標(biāo)識(shí)得到的套刻誤差數(shù)據(jù)計(jì)算出十個(gè)參數(shù)，不同的參數(shù)起到的修正作用不同，這些參數(shù)通過線性公式計(jì)算，將結(jié)果反饋到光刻機(jī)進(jìn)行修正，就能對(duì)的更準(zhǔn)，讓套刻誤差減小。不難看出，我們只測(cè)量了9個(gè)shot的四個(gè)位置的數(shù)據(jù)來讓所有區(qū)域得到修正，修正后也不是完全對(duì)準(zhǔn)的，會(huì)有一定的修正殘留。線性模型使用的十個(gè)參數(shù)有其在物理上的含義，其中六個(gè)用于修正曝光區(qū)域網(wǎng)格(inter-field)，剩余四個(gè)用于修正曝光區(qū)域內(nèi)部(intra-field)；

這部分的內(nèi)容還是比較復(fù)雜的，這里只簡(jiǎn)單的說一下什么是inter-field和intra-field。

下圖就是所謂的inter-field套刻誤差, a圖是參考層的shot布局，黑點(diǎn)是shot的中心位置，曝光時(shí)wafer步進(jìn)移動(dòng)，掩模版對(duì)準(zhǔn)到下一個(gè)shot上，然后進(jìn)行掃描曝光（shot會(huì)有重疊），直到整片wafer全部曝光完成；參考層中每個(gè)shot的中心位置點(diǎn)相連組成了一個(gè)網(wǎng)格(b圖中藍(lán)線)。

a                                                                              b

圖3 參考層的shot，黑點(diǎn)代表中心位置，黑點(diǎn)構(gòu)成的藍(lán)色連線是步進(jìn)曝光的網(wǎng)格

然后到了當(dāng)前層的曝光，最好的結(jié)果也就是套刻誤差為0應(yīng)該是與前一層的shot完全對(duì)準(zhǔn)，但實(shí)際上會(huì)像下圖中一樣有偏差，a圖紅框代表當(dāng)前層的shot，與參考層的shot沒有完全對(duì)準(zhǔn)有所偏差。當(dāng)前層的shot中心(紅點(diǎn)兒)也構(gòu)成了一個(gè)網(wǎng)格，這個(gè)網(wǎng)格與參考層網(wǎng)格(藍(lán)線)之間的偏差就是inter-field套刻誤差。10個(gè)參數(shù)中的6個(gè)參數(shù)修正的就是整個(gè)網(wǎng)格。

a                                                                                b

圖4 a圖是當(dāng)前層的曝光shot(紅色框)與參考層的shot有所偏差，紅點(diǎn)是當(dāng)前層shot的中心位置；b圖是紅點(diǎn)連線構(gòu)成的網(wǎng)格與參考層網(wǎng)格的偏差

而其余4個(gè)參數(shù)修正的是曝光區(qū)域內(nèi)部的套刻誤差，也就是一個(gè)shot內(nèi)部與前一層的偏差

圖5 當(dāng)前層(實(shí)線)與參考層(虛線)在shot內(nèi)部的偏差