Kirk 曝光方法在光刻機雜散光測試中的應用研究
張家錦
摘要：結合 Kirk 的測試原理，基於實際的光刻機應用工況，通過工藝試驗、計算仿真等手段建立有效的數據模型，有助於準確地把握雜散光的影響規律。經分析表明，雜散光對不同尺寸圖形的影響具有特定的規律，可以通過工藝曝光方法進行準確測量和表徵，所測得的圖形尺寸與雜散光測試劑量之間的關係在小尺寸段符合線性規律，在大尺寸段符合指數規律，基於這一特徵規律進一步指導與優化了雜散光的測試方案，從而實現更準確、更高效地監控光刻機雜散光性能的目的。
關鍵詞：集成電路製造；光刻機；曝光方法；Kirk；雜散光。
中圖分類號：TN405 文章編號：1674-2583(2020)04-0028-04
DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2020.04.009
中文引用格式：張家錦.Kirk曝光方法在光刻機雜散光測試中的應用研究[J].集成電路應用, 2020, 37(04):28-31.
Study on the Application of Kirk Eposure Method in the Scanner Stray Light Test
ZHANG Jiajin
Abstract — Combined with Kirk's test principle, based on the actual application conditions of the lithography scanner, the effective data model is established by means of process test, calculation and simulation, which is helpful to accurately grasp the influence law of stray light. The analysis shows that the influence of stray light on different size patterns have specific rules, which can be accurately measured and characterized by the process exposure method. The relationship between the measured pattern size and stray light test dose conforms to the linear rule in the small size segment and the exponential rule in the large size segment. Based on this characteristic law, the test scheme of stray light is further guided and optimized, so as to realize the purpose of monitoring the stray light performance of lithography scanner more accurately and efficiently.
Index Terms — IC manufacturing, lithography, exposure method, Kirk, stray light.
0 引言
光刻技術的發展速度是驚人的，其驅動力來源於人們對於高性能晶片的執著追求，在這一發展背景下，光刻技術中的關鍵設備光刻機起了至關重要的作用，通過設備系統的不斷研製改進，持續提升光刻解析度，使得集成電路的技術節點[1]不斷往前推進。
光刻機從乾式發展到浸沒式，從 DUV 發展到EUV，線條解析度從百納米一直縮小至幾納米，在這一演變過程中，曝光系統的雜散光性能逐步成為每一代光刻機成像控制的重要對象。對於高 NA 光刻機的雜散光性能一般需控制在 1.5% 之內，並且需要能夠得到準確的測量。
雜散光在光刻曝光過程中會影響成像對比度，從而影響成像解析度以及工藝窗口，直接導致能量閾度大幅度降低，無法保證成像線寬的均勻性[2]。正是由於雜散光對於成像結果的突出影響，該性能必須得到有效、準確的測試，才能評估該設備狀態是否會影響生產良率。對於光刻機的雜散光性能可以通過工藝曝光的方法進行測試，該方法基於 Kirk 的原理[3]，也是目前普遍認可比較成熟的辦法。相比於快速引入和發展的傳感器測量技術，這種通過工藝曝光方法進行雜散光測試的應用研究還比較有限。
本文將通過檢測不同尺寸光刻膠圖形的變化，研究分析雜散光的分布特徵和影響規律，從而指導與優化現有的雜散光測試方案，進而幫助光刻工藝工程師更直觀有效地監控光刻機雜散光性能。
1 基於 Kirk 曝光方法的工藝試驗
Kirk 工藝試驗採用光刻工藝中大劑量曝光的方式，把矽片面應該成像的掩模圖形使用大劑量曝光去除，理論上矽片面成像圖形幾何中心的雜散光能量達到光刻膠去除的臨界值時，矽片面的光刻膠成像圖形將被直接顯影去除，該劑量可用於計算當前圖形結構下的雜散光結果。
該測試需要使用專門設計的圖形掩模版，掩模版（1 倍縮放）上包含兩個圖形區域，一個是方形圖形區，區域內設定邊長尺寸從 1～100 μm 的 20 多個方形圖形，這些圖形由不透光的鉻層覆蓋；另一個是空白透光區，區域內包含了毫米級別的矩形空白透光圖形。
Kirk 工藝試驗的具體實施流程包含三步：（1）按標準光刻工藝條件對空白透光區進行曝光，得到該光刻工藝條件下光刻膠的能量閾值 E0 結果。（2）使用 50～180 倍 E0 劑量條件對方形圖形區進行曝光，利用顯微鏡確定各劑量下殘餘的最小方形圖形，並記錄對應方形圖形的邊長尺寸。（3）模型擬合劑量與殘留方形圖形尺寸的關係，得到所需尺寸結構下的擬合劑量值 Eclear，並按如下公式計算雜散光 Stray Light（劑量百分比）結果。
SL(%)＝E0 / EClear ×100% （1）
我們在 ArF 光源的實驗光刻機上開展Kirk工藝試驗，通過實際測試結果評估該光刻機成像系統的雜散光性能。一般而言，曝光視場中心的雜散光最強，因而本次測試選擇視場中心點進行測試，按照標準的光刻工藝菜單配置測試片塗膠、曝光（NA 0.75）、顯影的參數，並通過上述流程的實施獲得光刻膠的能量閾值 E0＝11.5 mj 以及顯微鏡下的測量數據，如圖 1 所示。
接著進行擬合計算，按指數、對數和線性方式分別擬合，同時計算 5 μm 方形圖形的雜散光結果，圖形邊長尺寸已取對數，擬合結果如圖 2 和表 1 所示。
從擬合結果看，指數擬合的擬合度較差，對應的數據擬合結果可信度偏低，該測試結果可以去除，而對數擬合和線性擬合的 R2 均滿足了 0.95 的要求，在當前情況下，對於 Kirk 工藝試驗數據的處理分析而言，兩種擬合方式並存將增加測試結果的不確定性，為了提高測試結果的準確性，需要進一步判斷何種方式擬合更為準確。
2 詳細工藝試驗與模擬仿真分析
2.1 詳細工藝試驗
為了評估和判斷 Kirk 工藝試驗數據的準確擬合方式，我們需要提高測試劑量的密度，這樣就可以得到更為準確的各尺寸圖形結構下的雜散光結果，通過詳細工藝試驗獲得測量數據如圖 3 所示，並同時計算各尺寸圖形的雜散光結果。
由於測量數據密度的增加，整體分布規律基本顯現，可以認為整體分布規律符合指數形式（與第一節線性擬合關係相當）。對圖 3 數據進行指數擬合，獲得 5 μm 方形圖形的去除劑量為 948.1 mj，對應雜散光結果為 1.21%，而 5 μm 方形圖形實際準確的去除劑量由詳細工藝試驗可得為 880 mj，對應的雜散光結果為 1.30%，擬合結果與實際結果仍有一定的偏差，可以認為僅僅按照指數擬合也很難取得準確的數據結果，對於測試結果的分布規律我們需要藉助模擬仿真進一步分析。
2.2 模擬仿真原理
雜散光通常按其影響距離範圍可分為短程雜散光、中程雜散光、遠程雜散光[4]。一般認為，短程雜散光影響距離小於 1 μm，中程雜散光影響距離覆蓋 100 μm 左右，而遠程雜散光則會產生全局性的影響，可以近似為均勻的背景能量。由於短程雜散光僅僅產生局部小範圍的影響，對當前工況的仿真結果乾擾有限，所以在本次雜散光的模擬仿真中僅包含中遠程雜散光的影響。
本次模擬仿真主要研究物面掩模測試區內不透光圖形在像矽片面成像區域形成的雜散光能量分布情況，由於平面兩個維度方向上的雜散光影響相同，模擬過程我們可以先考慮 x 方向一個維度的雜散光影響。設定掩模圖形（1 倍縮放）為方形圖形，沿 x 坐標該圖形的邊長為 w，半寬度為 w/2，以寬度中點為原點（如圖 5 所示），則物面掩模透過率函數 T（x）可表達為式（2）。
（2）
該函數分布也可以理解為物面中程雜散光光源的有效分布。這些物面雜散光點光源對應的像矽片面的光強能量分布符合高斯點擴散函數[5]，在像面同樣以成像圖形中心為原點，在物面原點處的雜散光點光源對應的像矽片面光強能量分布可為式（3）
（3）
其中，x 是離開像面原點的距離，A 為振幅參數，R 為範圍參數。進一步可以認為像矽片面圖形成像區域的中程雜散光能量分布是物面中程雜散光光源的有效分布與物面雜散光點光源對應的像矽片面光強能量分布的卷積，則像面任意位置x處的能量可以用卷積式（4）表示。
（4）
s 為物面雜散光點光源離開坐標原點的距離。
基於以上的分析並結合實際應用工況，我們把物平面上的雜散光光源有效區域分為四個雜光區，並且定義產生影響的中程雜散光邊界線垂直於坐標軸，首先考慮 x 正向雜光區範圍內的中程雜散光對像面圖形的正半區域影響（圖 6）。同時也加入背景長程雜散光的影響，則受 x 正向雜光區影響並沿 x 軸形成的雜散光能量分布（光強百分比）可表示為式（5）。
（5）
其中，C 為常量，表示長程雜散光的背景能量，(Sx , Sy) 為物面中程雜散光點光源坐標位置，且產生影響的中程雜散光邊界線定義為距離 x 軸上的測量點 100μm，x 範圍為 0～w/2，即圖形的正半區域。
通過模擬仿真不同寬度尺寸圖形在像矽片面成像區域的雜光分布情況，可以進一步得到各尺寸成像圖形中心的雜散光結果（光強百分比）如式（6）。
（6）
式中，w 代表了圖形的尺寸，同時成像圖形中心的光強應該包含了四個雜光區的影響。由於圖形中心雜散光能量最弱，因此當該能量大於能量閾值 E0，該圖形則被認為完全去除。該模擬仿真結果可與 Kirk 工藝試驗結果進行對照分析。
2.3 模擬仿真分析
本次模擬仿真中，根據當前應用工況，取振幅參數 A＝0.0509，範圍參數 R＝1.1517，常量 C＝0.007。根據式（5），評估局部區域雜散光對像面圖形正半區域的影響，模擬可得 5μm/10μm 方形圖形在成像區域沿 x 軸形成的雜散光能量分布（光強百分比），如圖 7 所示。
根據式（6），模擬 1～20 μm 圖形的雜散光結果（光強百分比），並與工藝試驗結果共同繪製在圖 8 中。
通過分析詳細工藝試驗結果並參照仿真結果，我們可以得到以下結論。
（1）精細化的詳細測試能夠得到各尺寸圖形結構下較為準確的雜散光結果，從測試結果的整體趨勢看，隨著能量遞增，被去除圖形的尺寸不斷增大，尺寸增量相比能量增量在不斷地遞增。
（2）結合模擬仿真進一步分析，可以看到不同尺寸圖形結構下的雜散光模擬結果與實測結果的趨勢基本匹配，對於 4 μm 以下圖形，雜散光結果隨圖形尺寸增加反比例遞減，對於 4 μm 以上圖形，雜散光結果變化趨勢逐步變緩。根據這一趨勢變化特徵，我們對實測結果進行分段擬合，小尺寸段按線性擬合，大尺寸段按指數擬合，擬合誤差相比整體指數擬合明顯提升，如圖 9 所示。
（3）從測試結果及變化趨勢，可以進一步推斷，在該實驗光刻機的曝光系統中，中短程雜散光對 4 μm 以下圖形影響佔主導，雜光影響隨圖形尺寸變化逐步遞減；另一方面，隨著圖形尺寸的增大，遠程背景雜散光的影響逐漸佔據主導，當圖形尺寸大於 20 μm 以後，雜光影響將基本不變。
3 雜散光測試方案優化
當前的 Kirk 工藝試驗流程可以根據上述總結的變化規律進行優化，優化內容主要包括劑量的步距設定和測量圖形設計。
在當前的實驗光刻機曝光系統中，劑量步距設定與圖形尺寸相關，2～4 μm 圖形去除劑量的遞增係數約為 182 mj/μm（約 15E0），因此，可以將劑量遞增步距設為 15E0。同樣對於 5 μm 以上大尺寸圖形去除劑量的遞增係數約 56 mj/μm，按 30E0 劑量遞增步距核算，則圖形可設計為 6 μm 尺寸遞增變化。
基於劑量步距的精確優化，掩模版上對應的測試圖形設計分為小尺寸圖形區和大尺寸圖形區，在實際測試中兩個圖形測試區分別代表了雜散光對圖形的不同影響規律，即小尺寸圖形區對應線性規律，而大尺寸圖形區對應指數規律。小尺寸圖形區的主要圖形為 2 μm、3 μm、4 μm 整數尺寸的圖形，而大尺寸圖形區的主要圖形為 5 μm、11 μm、17μm 整數尺寸的圖形。除了主要圖形外，測量圖形設計中還包含了輔助圖形，傳統測試方法中我們只關注了殘餘圖形而忽略了去除圖形，因此測試結果並非實際能量對應的最小尺寸的殘餘圖形，導致了數據擬合的誤差，因此在主圖形附近增加了判斷去除圖形情況的輔助圖形。輔助圖形尺寸的設定與最終的測試誤差相關，本例中的輔助圖形尺寸設定可保證雜散光的最終測量結果偏差小於 0.05%。具體圖形設計如圖 10 所示。
在實際測試中，根據不同評估需要可以選擇不同圖形區圖形進行工藝試驗。以小尺寸圖形區的測試為例，首先必須分別測得 E0 和 Estart，Estart 為曝光起始能量，記錄 2 μm 尺寸附近的去除圖形和殘餘圖形，然後按劑量步距曝光，同樣記錄每組圖形的去除圖形和殘餘圖形，去除圖形和殘餘圖形必須同時被測得，否則需重新設定劑量步距，最後提取殘留圖形尺寸用於數據擬合，測試記錄如表 2。
通過以上優化就可以更準確地獲得曝光系統中雜散光的性能狀態，同時測量圖形的精簡也提升了測量的針對性，提高了測試效率。
4 結論
在光刻機的曝光系統中，雜散光對不同尺寸圖形的影響具有特定的規律，可以通過工藝曝光方法進行準確測量和表徵。本文基於 Kirk 測試原理，進行了詳細工藝試驗和仿真模擬分析，進一步明確了雜散光對測試圖形的影響規律，分析表明所測得的圖形尺寸與雜散光測試劑量之間的關係在小尺寸段符合線性規律，在大尺寸段符合指數規律，基於這一特徵規律，也反饋指導我們優化了現有的 Kirk 工藝試驗方案，有效提升了曝光系統雜散光測試效率和測試準確性。
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