曝光劑量精度誤差分析研究

高愛梅，宮 晨，張 乾，黃曉鵬

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

隨著光刻分辨率的提高，對線寬均勻性(CDU，Critical Dimension Uniformity)的要求也越來越高。涂膠、曝光、顯影、刻蝕等一系列工藝都會影響CDU。其中，曝光工藝的劑量控制是影響CDU的一個重要因素，因此，光刻工藝中需要精確控制曝光劑量[1]。

在光刻工藝中，能夠得到最佳光刻圖形的曝光劑量稱為最佳曝光劑量。最佳曝光劑量與光刻膠的型號、膠厚及曝光圖形結構等因素有關。曝光劑量有一個裕度范圍，曝光劑量變化控制在此裕度內，才能得到線寬均勻性滿足要求的圖形。對i線光刻機，劑量裕度一般為15%～20%。影響劑量裕度的因素主要包括劑量精度、劑量重復精度、照明均勻性、膠厚均勻性等。本文對影響劑量裕度的劑量控制精度和劑量重復精度2個重要參數展開研究，分析影響其精度的因素，建立劑量精度誤差模型，并結合測試數據進行驗證。

1 劑量控制模型

1.1 劑量精度定義

圖1解釋了劑量精度和重復性的概念。平均值更接近目標值，則精度更高；多次測量數據彼此更接近，則重復性更高。

圖1 劑量精度和重復性

式中，Eset為設定的劑量值；Emean為多次劑量測量結果平均值；

Emax為劑量測量結果最大值；Emin為劑量測量結果最小值；

1.2 劑量控制策略

在步進光刻機上，劑量控制的對象包括光源、衰減器、快門和能量傳感器，一般光源的功率和衰減檔位調節場景較少，在線曝光流程中主要控制快門開關時間實現劑量大小控制，通過照明光路中的能量傳感器（簡稱ES）實時采集能量數據做劑量反饋。設備使用中因光學系統透過率變化等原因，需要通光硅片面的點能量傳感器（簡稱SS）測量實際照度，標定ES的系數（kratio），kratio=ESS/EES。如圖2所示，硅片面的劑量值=硅片面照度×曝光時間，其中，曝光時間包括快門全開時間和快門開啟關閉時間。

圖2 劑量控制模型

E=E0+W×t，E0為快門全開時段的劑量，W為等效光強，t為等效時間。

2 劑量精度誤差分析

劑量精度是曝光工藝中需要控制的重要因素，直接影響曝光圖形質量，通過對影響劑量精度原因的分析，建立了誤差模型并分析各項誤差大小，為劑量精度的優化控制提供理論依據。

2.1 誤差項分解

依據劑量控制策略，影響劑量精度的因素主要有ES的重復精度和線性度，SS的重復精度和線性度，ESS/EES的比例系數為kratio，快門開關重復時間。

圖3 劑量精度誤差分解

前5項因素單位均為百分比，直接影響劑量精度，快門開關重復時間對劑量精度的影響，與硅片面照度和劑量大小相關。此時，劑量精度公式修正為E'=E0+W×（t±t0），t0為快門開關重復時間，t0對劑量精度的影響大小為（E-E'）/E=（W×t0）/E。

劑量精度要求≤1.5%，劑量重復精度要求≤0.5%，根據劑量誤差模型分析，分解到各誤差項的誤差值，如表1所示，作為劑量控制系統的設計要求。

表1 劑量精度誤差預算

2.2 劑量精度測試

依據劑量誤差分解值開展劑量控制系統設計，搭建能量測試臺，分別測試ES和SS傳感器的重復精度和線性度，測試快門開關重復時間。在光刻設備上測試比值kratio。各指標實測數據及對應的劑量精度核算結果如表2所示。

表2 實測誤差項對應的劑量精度

根據劑量精度和重復精度定義進行劑量測試，分別測50、80、100、150、200、300、400、500 mJ·cm-2劑量下的劑量精度和重復精度，測試數據如表3所示。

表3 劑量精度和重復性測試

由表3可知，劑量50 mJ·cm-2時，快門重復性對劑量精度影響較大，快門等效光強標定誤差大，導致劑量精度超差，其它劑量值下的精度和重復精度均滿足指標，且與劑量誤差分解指標匹配度較好。因此，設定劑量小于100 mJ·cm-2時，衰減片調至50%檔位，通過降低硅片面照度減小快門重復性對劑量精度的影響。通過測試驗證，衰減片50%檔位時，50 mJ·cm-2劑量下的劑量精度0.884，重復精度0.372，滿足設計需求。

重復連續測試1 h后，劑量精度下降到7.4%，分析其原因發現，快門常開連續測試時，ES和SS傳感器受溫度影響，呈現一定的長期漂移，且趨勢不完全相同，導致kratio=ESS/EES比值變化較大，進而影響劑量精度。從誤差模型可以看出，kratio是影響劑量精度的最大誤差項，模擬實際應用場景，按曝光場布局和曝光流程重新規劃測試方案如表4所示，批流程之間做一次劑量精度測試，連續測試1 h，劑量精度沒有明顯變化，滿足指標需求。

表4 劑量精度和重復性測試

4 結束語

線寬均勻性作為光刻機的核心指標之一，是評價光刻工藝穩定和光刻設備性能的主要依據，而曝光劑量是影響線寬均勻性的主要參數。本文針對i線步進式光刻機，重點分析了影響劑量控制精度和重復精度的因素，建立劑量精度誤差模型，并通過劑量精度測試驗證了模型的可信度，為光刻設備的劑量設計提供了理論依據。從誤差模型可以看出，影響劑量精度的主要誤差項是kratio比值，這個值隨光源波動、照明均勻性變化、光學系統的鏡片膜層變化、能量傳感器的熱漂移和性能老化等因素有關，因此，應定期校正kratio比值，以實現劑量精度的精確控制。