曝光剂量精度误差分析研究

高爱梅，宫 晨，张 乾，黄晓鹏

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

随着光刻分辨率的提高，对线宽均匀性(CDU，Critical Dimension Uniformity)的要求也越来越高。涂胶、曝光、显影、刻蚀等一系列工艺都会影响CDU。其中，曝光工艺的剂量控制是影响CDU的一个重要因素，因此，光刻工艺中需要精确控制曝光剂量[1]。

在光刻工艺中，能够得到最佳光刻图形的曝光剂量称为最佳曝光剂量。最佳曝光剂量与光刻胶的型号、胶厚及曝光图形结构等因素有关。曝光剂量有一个裕度范围，曝光剂量变化控制在此裕度内，才能得到线宽均匀性满足要求的图形。对i线光刻机，剂量裕度一般为15%～20%。影响剂量裕度的因素主要包括剂量精度、剂量重复精度、照明均匀性、胶厚均匀性等。本文对影响剂量裕度的剂量控制精度和剂量重复精度2个重要参数展开研究，分析影响其精度的因素，建立剂量精度误差模型，并结合测试数据进行验证。

1 剂量控制模型

1.1 剂量精度定义

图1解释了剂量精度和重复性的概念。平均值更接近目标值，则精度更高；多次测量数据彼此更接近，则重复性更高。

图1 剂量精度和重复性

式中，Eset为设定的剂量值；Emean为多次剂量测量结果平均值；

Emax为剂量测量结果最大值；Emin为剂量测量结果最小值；

1.2 剂量控制策略

在步进光刻机上，剂量控制的对象包括光源、衰减器、快门和能量传感器，一般光源的功率和衰减档位调节场景较少，在线曝光流程中主要控制快门开关时间实现剂量大小控制，通过照明光路中的能量传感器（简称ES）实时采集能量数据做剂量反馈。设备使用中因光学系统透过率变化等原因，需要通光硅片面的点能量传感器（简称SS）测量实际照度，标定ES的系数（kratio），kratio=ESS/EES。如图2所示，硅片面的剂量值=硅片面照度×曝光时间，其中，曝光时间包括快门全开时间和快门开启关闭时间。

图2 剂量控制模型

E=E0+W×t，E0为快门全开时段的剂量，W为等效光强，t为等效时间。

2 剂量精度误差分析

剂量精度是曝光工艺中需要控制的重要因素，直接影响曝光图形质量，通过对影响剂量精度原因的分析，建立了误差模型并分析各项误差大小，为剂量精度的优化控制提供理论依据。

2.1 误差项分解

依据剂量控制策略，影响剂量精度的因素主要有ES的重复精度和线性度，SS的重复精度和线性度，ESS/EES的比例系数为kratio，快门开关重复时间。

图3 剂量精度误差分解

前5项因素单位均为百分比，直接影响剂量精度，快门开关重复时间对剂量精度的影响，与硅片面照度和剂量大小相关。此时，剂量精度公式修正为E'=E0+W×（t±t0），t0为快门开关重复时间，t0对剂量精度的影响大小为（E-E'）/E=（W×t0）/E。

剂量精度要求≤1.5%，剂量重复精度要求≤0.5%，根据剂量误差模型分析，分解到各误差项的误差值，如表1所示，作为剂量控制系统的设计要求。

表1 剂量精度误差预算

2.2 剂量精度测试

依据剂量误差分解值开展剂量控制系统设计，搭建能量测试台，分别测试ES和SS传感器的重复精度和线性度，测试快门开关重复时间。在光刻设备上测试比值kratio。各指标实测数据及对应的剂量精度核算结果如表2所示。

表2 实测误差项对应的剂量精度

根据剂量精度和重复精度定义进行剂量测试，分别测50、80、100、150、200、300、400、500 mJ·cm-2剂量下的剂量精度和重复精度，测试数据如表3所示。

表3 剂量精度和重复性测试

由表3可知，剂量50 mJ·cm-2时，快门重复性对剂量精度影响较大，快门等效光强标定误差大，导致剂量精度超差，其它剂量值下的精度和重复精度均满足指标，且与剂量误差分解指标匹配度较好。因此，设定剂量小于100 mJ·cm-2时，衰减片调至50%档位，通过降低硅片面照度减小快门重复性对剂量精度的影响。通过测试验证，衰减片50%档位时，50 mJ·cm-2剂量下的剂量精度0.884，重复精度0.372，满足设计需求。

重复连续测试1 h后，剂量精度下降到7.4%，分析其原因发现，快门常开连续测试时，ES和SS传感器受温度影响，呈现一定的长期漂移，且趋势不完全相同，导致kratio=ESS/EES比值变化较大，进而影响剂量精度。从误差模型可以看出，kratio是影响剂量精度的最大误差项，模拟实际应用场景，按曝光场布局和曝光流程重新规划测试方案如表4所示，批流程之间做一次剂量精度测试，连续测试1 h，剂量精度没有明显变化，满足指标需求。

表4 剂量精度和重复性测试

4 结束语

线宽均匀性作为光刻机的核心指标之一，是评价光刻工艺稳定和光刻设备性能的主要依据，而曝光剂量是影响线宽均匀性的主要参数。本文针对i线步进式光刻机，重点分析了影响剂量控制精度和重复精度的因素，建立剂量精度误差模型，并通过剂量精度测试验证了模型的可信度，为光刻设备的剂量设计提供了理论依据。从误差模型可以看出，影响剂量精度的主要误差项是kratio比值，这个值随光源波动、照明均匀性变化、光学系统的镜片膜层变化、能量传感器的热漂移和性能老化等因素有关，因此，应定期校正kratio比值，以实现剂量精度的精确控制。