探究薄膜热力学应力对曝光误差的影响

【摘 要】 半导体技术发展的瓶颈在于曝光技术的准确性。如果曝光不准确可能给器件带来致命的伤害，那么如何能够保证曝光技术的准确性则显得尤为重要。

【关键词】 薄膜 热力学

1 提出问题

由于光波在曝光过程中存在干涉现象，会对光阻剂造成非预期的二次曝光。为解决二次曝光现象，半导体生产过程会在金属导线层与光阻剂之间生长一层化学气象薄膜来抵消光波干涉现象产生的二次曝光。然而薄膜与衬底之间存在不同的热力延展系数，生长出来的薄膜会存在热力学应力。如果热力学应力没有得到很好的控制，很容易导致后续曝光过程出现异常，引发非预期的短路或是断路，直接杀伤半导体生产的良率。本论文将对化学气象薄膜的热力学应力对曝光过程的影响进行讨论和验证，以期能够提高曝光的准确性。

2 分析问题

2.1 曝光过程介绍

熟悉半导体生产都知道，一片8英寸wafer表面本身存在两个用来定位的“眼睛”，叫做align mark，其在wafer上面的坐标也是固定的，分别是（77.8，54.5）和（-77.8，-54.5）。通过这两个“眼睛”的定位，曝光过程才能准确将mask的电路转移到硅片上（如图1）。

由于mask M1上面的align mark图形K1/K2和wafer表面的align mark W1/W2图像均为栅形。当曝光光线通过K1/K2分别和W1/W2重合，则表明mask M1和wafer完全重合，完成定位，这样的曝光可以按预期将电路完整的转移到wafer上面。如果K1/K2没有和W1/W2完全重合，那么曝光结果可能导致电路的错位，对应的电路发生变异。

实际曝光过程是通过光刻机量测两个“眼睛”之间的距离“l”和两个“眼睛”之间的实际距离“L”进行比较，差值越小，说明曝光误差越小，那么得到的曝光结果越准确（如图2）。曝光光线通过传感器A1照射到硅片的“眼睛”W1/W2上面，通过光线反射，再次回传到传感器A1，通过计算量测出来的两个眼睛的距离“l”和真实距离“L”相等，则差值为0，实现无误差曝光。

2.2 热力学应力对曝光的影响

通常化学气象沉积是在高温下完成，由于衬底和薄膜的遇热延展性系数不同，导致所生长的薄膜均存在热力学应力。这样的结果就是曝光过程将不是简单的光学反射，而是发生了光学折射过程，导致“眼睛”之间的量测距离和实际距离存在偏差。由于薄膜的折射率N>1（空气折射率参考真空折射率，约为1），通过光学知识，入射光线和折射光线分居法线两测，且遵守折射公式（如图3）。

由于热力学应力的存在，曝光光线将在薄膜表面发生两次折射以及硅片“眼睛”W处发生一次反射，结果导致量测出来“眼睛”之间的距离“l”比真实距离“L”要小，那么曝光结果就会出现误差。为了保证曝光的准确性，控制薄膜的热力学应力，减小折射现象的发生将是有效的方向！

3 解决问题

3.1 薄膜热力学应力来源的探究

薄膜化学气相沉积主要通过如下化学反应生成薄膜。

由于高温，低压为化学反应的必要条件，所以本次试验重点在通过调整薄膜生长的RF power绘制得出RF Power（化学气相沉积反应条件，将反应气体解离为离子的能量）与热力学应力的相互关系（如图4）。结合图3以及折射公式，可以得到如下结论。薄膜的热力学应力所产生的曲率半径（如图4所示，Stress的绝对值最大，则曲率半径越大）大小和折射率共同决定了入射角和折射角的大小和方向。通过对反应条件RF Power的实验，得到了如下结论。热力学应力所产生的曲率半径变化非常明显，而折射率基本维持在1.9左右（>1决定了折射光线的折射方向）。因此重点研究RF power通过影响热力学应力对曝光准确性的影响。

为验证图3的假设模型，将实验结果应用到实际生产中，通过调整RF power的设定，将薄膜热力学应力分别调整在同一个水平以及不同的水平来观察曝光误差（如图5），当热力学应力保持相同水平（condition 1）的时候，误差也将处于同一水平，通过光刻机自身的调整能力可以实现无误差曝光。而当热力学应力不在同一水平线时（condition 2），曝光对应的差别比较大，超出了光刻机的调整能力。（注：不同wafer本身的曝光误差处于不同水平线，选取4种不同wafer做试验，重点研究同一种wafer的曝光误差受薄膜热力学应力的影响）。

3.2 如何控制热力学应力来改善曝光的准确性

基于上述实验分析结果，当RF Power发生异常时，热力学应力将发生突变，从而导致曝光异常。因此化学气象沉积过程中对RF power的控制将是保持曝光稳定的一个“眼睛”。建立一套关于RF power的控制系统将可以及时发现异常，避免更大的损失（如图6）。当RF power监控系统发现异常，通过量测对应硅片的曝光也发生了变异，最终通过切片分析发现，由于误差超出了光刻机的调整范围，曝光发生异常，导致对应的电路严重偏离了设计需要。由此可见这套RF power控制系统的准确性和可靠性！可以有效筛选曝光异常的wafer，及时解决异常的RF系统，保证RF Power稳定。可见维护好RF Power系统可以保证薄膜热力学应力的稳定，从而解决薄膜热力学应力对曝光过程的影响！

4 结语

热力学应力虽然是化学气象沉积薄膜的属性，同时也影响着曝光的结果。有效的控制化学气象沉积反应条件RF power的稳定不仅可以稳定薄膜热力学应力这一参数，同时也可以有效减少曝光的误差。将无形的曝光过程转化为数字形式的RF power监控系统，不仅可以有效的保证曝光的稳定，及时发现曝光异常的wafer，极大地降低次品率。

参考文献：

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