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在芯片制造這座微觀世界的"摩天大樓"中，每一層的圖案都必須與下一層完美對(duì)齊，任何微小的錯(cuò)位都可能導(dǎo)致整個(gè)電路失效。隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)不斷縮小至5納米、3納米甚至更小，這種層間對(duì)齊的精度要求已經(jīng)達(dá)到了納米級(jí)別——相當(dāng)于在一根頭發(fā)絲的橫截面上進(jìn)行精密雕刻。本文將帶您深入了解芯片制造中確保層間圖案精準(zhǔn)對(duì)齊的關(guān)鍵技術(shù)：Overlay（疊對(duì)）控制與CPE（Correction Per Exposure，逐場(chǎng)曝光校正）技術(shù)。


01什么是Overlay：芯片層間的"精準(zhǔn)套娃"

藝術(shù)1.1 Overlay的基本概念Overlay（OVL，套刻誤差）是衡量芯片制造中當(dāng)前層圖案與參考層圖案之間位置偏差的關(guān)鍵參數(shù)。理想情況下，這兩層圖案應(yīng)該完全重合，但由于各種系統(tǒng)誤差和偶然誤差的存在，實(shí)際生產(chǎn)中總會(huì)發(fā)生微小的位置偏離，這種偏離就是Overlay誤差。在集成電路制造中，晶圓上當(dāng)前層（光刻膠圖形）與參考層（襯底內(nèi)圖形）之間的相對(duì)位置，描述了當(dāng)前圖形相對(duì)于參考圖形沿X和Y方向的偏差以及這種偏差在晶圓表面的分布情況。它是監(jiān)測(cè)光刻工藝質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。

1.2 Overlay誤差的嚴(yán)苛要求隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷推進(jìn)，芯片制造對(duì)Overlay誤差的要求越來(lái)越嚴(yán)格。根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（International Technology Roadmap for Semiconductor，ITRS），每一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的光刻工藝都有相應(yīng)的Overlay誤差要求。表1：不同技術(shù)節(jié)點(diǎn)的Overlay誤差要求對(duì)比

從表中可以看出，隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的推進(jìn)，關(guān)鍵光刻層允許的對(duì)準(zhǔn)偏差（即Overlay誤差）是以大約80% 的比例縮小。例如，20nm節(jié)點(diǎn)中關(guān)鍵層的Overlay誤差要求是8.0nm，而到了14nm節(jié)點(diǎn)，這一要求進(jìn)一步提高到6.4nm。為了保證設(shè)計(jì)在上下兩層的電路能可靠連接，當(dāng)前層中的某一點(diǎn)與參考層中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的對(duì)準(zhǔn)偏差必須小于圖形最小間距的1/3。這一規(guī)則使得Overlay控制成為決定芯片良率的直接因素之一。

02Overlay誤差的根源：納米級(jí)的偏差從何而來(lái)？

導(dǎo)致曝光圖形與參考圖形對(duì)準(zhǔn)偏差的原因多種多樣。主要包括掩模變形或比例不正常、晶圓本身的變形、光刻機(jī)投影透鏡系統(tǒng)的失真、晶圓工件臺(tái)移動(dòng)的不均勻等。這些因素都會(huì)引入對(duì)準(zhǔn)偏差，進(jìn)而影響最終的產(chǎn)品良率。隨著關(guān)鍵尺寸不斷縮小、晶圓尺寸變大以及光罩?jǐn)?shù)目的增加，微影疊對(duì)誤差容忍度也變得越來(lái)越嚴(yán)苛。當(dāng)微影制程的疊對(duì)誤差超過(guò)誤差容忍度時(shí)，層間設(shè)計(jì)電路可能因?yàn)槲灰瓢l(fā)生斷路或是短路而無(wú)法通過(guò)電性測(cè)試而報(bào)廢，進(jìn)而影響產(chǎn)品良率。因此，Overlay誤差控制是控制生產(chǎn)良率的重要指標(biāo)。

03Overlay測(cè)量技術(shù)：納米級(jí)精度的"尺子"

3.1 傳統(tǒng)測(cè)量方法Overlay由專用測(cè)量設(shè)備測(cè)量得到。傳統(tǒng)的Overlay測(cè)量主要使用光學(xué)顯微鏡測(cè)量特殊的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記（Overlay Mark）。這些標(biāo)記通常采用光柵結(jié)構(gòu)，利用雙層光柵的迭對(duì)特性對(duì)繞射光具有明顯影響的原理，設(shè)計(jì)出具有高迭對(duì)靈敏度的光柵式對(duì)準(zhǔn)鍵結(jié)構(gòu)。
3.2 先進(jìn)測(cè)量技術(shù)隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的縮小，測(cè)量技術(shù)要求也越來(lái)越高。工研院開(kāi)發(fā)的半導(dǎo)體制程O(píng)verlay量測(cè)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了Wafer overlay control（nm） < 5nm 和 Wafer overlay metrology precision < 1nm 的精度。這種利用光柵的繞射特性所設(shè)計(jì)的對(duì)準(zhǔn)鍵結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有更好的量測(cè)靈敏度，并且可以多參數(shù)同時(shí)量測(cè)（如同時(shí)可獲得迭對(duì)、關(guān)鍵尺寸及厚度之?dāng)?shù)據(jù)）。

04Overlay控制方法：如何實(shí)現(xiàn)納米級(jí)對(duì)齊？

4.1 傳統(tǒng)控制方法在光刻工藝中，Overlay誤差是通過(guò)光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、套刻誤差測(cè)量設(shè)備和對(duì)準(zhǔn)修正軟件三部分協(xié)同工作來(lái)減小的。其工作流程通常包括：測(cè)量特殊標(biāo)記的位置，通過(guò)模型計(jì)算需要校正的參數(shù)，然后將這些校正參數(shù)反饋給光刻機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償曝光。傳統(tǒng)的Overlay控制方法主要依賴于最小平方法、最陡坡降法等統(tǒng)計(jì)算法，建立誤差模型并計(jì)算最優(yōu)的可調(diào)整參數(shù)。這些方法在一定程度上能夠減小系統(tǒng)誤差，但隨著工藝節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步，面臨著越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。
4.2 先進(jìn)控制方法：類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與智能算法為了更精確地濾除不確定及隨機(jī)因素并估測(cè)出精確的優(yōu)化可調(diào)整參數(shù)，研究人員開(kāi)始采用更先進(jìn)的方法。類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Network） 對(duì)未知非線性函數(shù)的逼近能力，使其能夠以適當(dāng)神經(jīng)元模擬環(huán)境或晶圓本身所產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，并將之濾除。徑向基底網(wǎng)絡(luò)（Radial Basis Function Network， RBFN） 憑借快速學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，可以提高估測(cè)的時(shí)效性。而智能型基因算法（Intelligent Genes Algorithm， IGA） 則可以求取最佳的可調(diào)整參數(shù)，使疊對(duì)誤差最小化。通過(guò)結(jié)合這些先進(jìn)算法，工程人員可以獲得不受隨機(jī)誤差影響的優(yōu)化參數(shù)解，作為補(bǔ)償Overlay誤差時(shí)的重要參考。

05CPE技術(shù)：Overlay控制的進(jìn)階武器

5.1 CPE技術(shù)的基本概念隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)一步發(fā)展，傳統(tǒng)的Overlay控制方法已不能滿足最先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的需求。在這種情況下，CPE（Correction Per Exposure，逐場(chǎng)曝光校正） 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。CPE是一種更高級(jí)的Overlay控制技術(shù)，它通過(guò)對(duì)每個(gè)曝光場(chǎng)單獨(dú)進(jìn)行測(cè)量與校正，能夠更好地應(yīng)對(duì)晶圓本身的變形和工藝過(guò)程中引入的復(fù)雜誤差。在領(lǐng)先的邏輯器件中，生產(chǎn)Overlay的要求幾乎已經(jīng)達(dá)到掃描儀硬件性能的極限，CPE技術(shù)成為滿足這些極端要求的必要手段。
5.2 CPE的技術(shù)實(shí)現(xiàn)CPE技術(shù)的核心在于將run-to-run（R2R，連續(xù)控制） 線性或高階控制回路、周期性的逐場(chǎng)或CPE晶圓工藝特征控制回路，以及掃描儀基線控制回路整合到通過(guò)工廠主機(jī)APC（Advanced Process Control，先進(jìn)工藝控制）系統(tǒng)的單一集成Overlay控制路徑中。這種集成Overlay控制方法能夠滿足工廠對(duì)Overlay性能的要求，降低擁有成本（Cost of Ownership），并提供控制方法的自由度。在實(shí)際應(yīng)用中，CPE技術(shù)通常需要與場(chǎng)-by-場(chǎng)控制邏輯結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)曝光區(qū)域的精準(zhǔn)控制。

06Overlay與對(duì)準(zhǔn)：區(qū)別與聯(lián)系

在光刻工藝中，對(duì)準(zhǔn)（Alignment） 與Overlay是緊密相關(guān)但又不同的兩個(gè)概念。對(duì)準(zhǔn)是指測(cè)定晶圓上參考層圖形的位置并調(diào)整曝光系統(tǒng)，使當(dāng)前曝光的圖形與晶圓上的圖形精確重疊的過(guò)程。而對(duì)準(zhǔn)操作是由光刻機(jī)中的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)來(lái)完成的。而Overlay則是衡量對(duì)準(zhǔn)好壞的參數(shù)，它直接定量描述當(dāng)前層與參考層之間的位置偏差。Overlay由專用測(cè)量設(shè)備測(cè)量得到?？梢赃@樣理解：對(duì)準(zhǔn)是過(guò)程，而Overlay是衡量這個(gè)過(guò)程精度的指標(biāo)。

07Overlay控制的發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

7.1 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)隨著半導(dǎo)體工藝的不斷發(fā)展，Overlay控制技術(shù)也在快速進(jìn)步。從技術(shù)發(fā)展歷程來(lái)看，對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了測(cè)量精度從1980年代的亞微米級(jí)別到2002年的納米級(jí)別，然后在2016年達(dá)到了亞納米級(jí)別。高端光刻設(shè)備全球市場(chǎng)主要由ASML、Nikon和Canon主導(dǎo)。自1970年代以來(lái)，光刻機(jī)大致經(jīng)歷了五代產(chǎn)品，以先進(jìn)光源技術(shù)和工藝創(chuàng)新為特征。這些改進(jìn)相繼減少了關(guān)鍵尺寸并優(yōu)化了Overlay。
7.2 面臨的主要挑戰(zhàn)隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷縮小，Overlay控制面臨著多重挑戰(zhàn)：

精度要求極高：隨著EUV（Extreme Ultraviolet，極紫外）光刻技術(shù)的應(yīng)用，Overlay精度要求已經(jīng)進(jìn)入亞納米級(jí)別。

工藝復(fù)雜性增加：多重 patterning 技術(shù)（如SADP、SAQP）的應(yīng)用，使得Overlay控制變得更加復(fù)雜。

熱學(xué)和力學(xué)效應(yīng)：在曝光過(guò)程中產(chǎn)生的熱和應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致晶圓變形，增加Overlay誤差。

測(cè)量精度限制：隨著要求不斷提高，測(cè)量系統(tǒng)本身的精度限制也成為瓶頸。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，業(yè)界正在開(kāi)發(fā)更加先進(jìn)的控制算法和測(cè)量技術(shù)，包括基于人工智能的預(yù)測(cè)模型、更加精密的溫度控制技術(shù)，以及更高精度的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記設(shè)計(jì)。

08結(jié)論

Overlay控制和CPE技術(shù)是半導(dǎo)體制造，特別是光刻工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到最終產(chǎn)品的良率和性能。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)這些技術(shù)的要求也將越來(lái)越高。從傳統(tǒng)控制方法到基于類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和智能算法的先進(jìn)方法，從全場(chǎng)校正到逐場(chǎng)曝光校正，Overlay控制技術(shù)正在經(jīng)歷一場(chǎng)革命性的變革。在未來(lái)，隨著3nm、2nm甚至更先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)，Overlay控制將面臨更多的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。新材料的應(yīng)用、新結(jié)構(gòu)的引入以及新工藝的開(kāi)發(fā)，都將對(duì)Overlay控制提出更高的要求。但有一點(diǎn)是確定的：Overlay控制將繼續(xù)作為半導(dǎo)體制造的核心技術(shù)之一，支撐著整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。