光刻中的缺陷及优化方案

缺陷按来源分类可分为掩膜板缺陷、工艺引入的缺陷、衬底引入的缺陷。掩膜板的缺陷通常源于掩膜板在制造过程当中引入的图形缺陷（如线宽制造错误），部分细小图形的缺失（如亚衍射散射条）以及引入的外来颗粒。工艺的缺陷又可以按照流程来划分：涂胶引入的缺陷、曝光过程引入的缺陷（包括浸没式和非浸没式）、显影过程引入的缺陷。涂胶引入的缺陷有底部抗反射层、光刻胶本身引入的颗粒、结晶、气泡等颗粒类型的缺陷，还有由于硅片表面的颗粒异物造成甩胶时产生的放射状缺陷。显影过程引入的缺陷有显影液回溅产生水雾（developer mist），导致硅片边缘区域产生过度显影的小区域，还有被显影冲洗下来的光刻胶残留没有被冲洗带走，留在硅片表面。此外，还有与衬底黏附性不良造成的剥离缺陷。对于通孔（contact hole）、栓塞（via）层，还有孔缺失缺陷（missing hole，missing contact/via）。孔缺失缺陷一般由以下几种原因造成。

一是光刻胶的显影不良。因为显影或显影冲洗不好，没能有效地将溶解的和部分溶解的光刻胶残留物带离硅片表面。通常这类缺陷会先发生在硅片边缘。

二是光刻工艺没有足够的对焦深度（depth of focus，DOF），使硅片表面有一点高低起伏，会发生一定区域上的孔缺失。

三是光刻工艺拥有较高的掩膜板误差因子（MEF），一般＞4.0，当掩膜板上的线宽误差达到一定程度时，会发生孔的缺失。

曝光过程当中产生的缺陷分为非浸没式缺陷和浸没式缺陷。非浸没式缺陷一般为引入的颗粒。当然还有从掩膜板的缺陷通过成像传递到硅片上的缺陷。浸没式的缺陷就比较多了。比如由于在光刻胶顶部存在水而导致的缺陷。

（1）由于水中气泡（bubble）对成像的干扰产生的圆形区域性缺陷，会导致类似微小凹透镜效应（micro lensing effect），造成图形被放大，工业上称为“图形缩小”（pattern attenuation，PA），实际上，图形是被放大了。

（2）由于在曝光后光刻胶表面存在水滴，又称为水的流失（water loss），对曝光产生的光酸的浸析（Leaching）造成图形显影不良和“黏连”。(www.xing528.com)

（3）在曝光前光刻胶表面存在水滴，水滴在光刻胶顶部涂层（top coating）中的渗透造成顶部涂层膨胀向上拱起，形成另一种微小凸透镜效应，在工业中称为反向图形缩小（inverted pattern attenuation，IPA），即实际上图形被缩小。

一般通过减少水从浸没水罩（immersion hood）之中的流失来改进浸没式光刻造成的缺陷。例如，加强抽取的效率、使用气帘（air knife）的保护（如阿斯麦的1900系列光刻机），还有提高光刻胶的接触角（contact angle）。提高接触角需要提高所有接触水的表面的疏水性能，如光刻胶表面（对于不需要顶部涂层的光刻胶）、顶部涂层表面。而且，根据扫描速度不同，这种要求也会变得不同。通常，扫描速度越快，拖曳接触角（receding contact angle，RCA）就会变小，造成水的流失。一般，对于600 mm/s的扫描速度，不产生超标缺陷的拖曳接触角的要求在65°～70°之间。若遇到太多缺陷，在没有找到问题原因的时候，可以通过降低扫描速度来解决。不过，这样要牺牲光刻机的单位时间产能。最好的办法是增加拖曳接触角。

改进气泡的问题需要从源头上阻止气泡的产生，如阻止空气在浸没使用的超纯净水中的过量溶解。还有，如果在快速扫描时（通常最快速度可以达到600～700 mm/s）产生了气泡，需要通过真空系统将其抽除。通常这样的真空抽吸装置存在于水罩上和硅片平台（wafer table）边缘。

底上的引入缺陷一般会造成硅片表面突起，引起涂胶（包括光刻胶和抗反射层）不良。此种缺陷一般为颗粒。这种颗粒可以是从前层工艺带来的。例如，干法刻蚀（等离子体刻蚀）中，从腔体内表面掉下的颗粒或者片状物（flakes），也可以是物理气相淀积（physical vapor deposition，PVD）工艺带来的颗粒等。

缺陷的检测一般通过紫外光对硅片表面做成像，并且通过一定方式的比较来获取。缺陷在硅片上的分布分为周期性和非周期性分布。周期性分布一般指在每一个曝光区域（shot）或者芯片区域（die）的固定地方都出现。而非周期性的分布一般并不固定出现在硅片的某一区域，它可以以硅片圆心为对称点，呈中央四周分布，也可以偏向硅片某一边缘，如缺口（Notch）附近。对于非周期性的缺陷，如果每一个曝光区域中有不止一个相同的芯片区域，那么，可以通过比较两个芯片区域的不同点来得出缺陷的位置。这种方法叫做“芯片和芯片”比较（Die to die comparison）。如果每一个曝光区域只有一个芯片，那么缺陷的检查要么通过图形大小、形状进行甄别，要么通过同设计图样的比较，所谓的“芯片和数据库”比较（Die to database comparison）。对于现代光刻工艺来讲（C＜0.25μm），由于受到衍射的影响，这种比较方法必须考虑到设计图形经过衍射成像后的变化。