在光刻工藝中，什么是 Leveling ？

在半導(dǎo)體光刻工藝?yán)铮T多環(huán)節(jié)都對(duì)芯片制造的精度與質(zhì)量有著舉足輕重的影響，其中 Leveling（找平）這一關(guān)鍵步驟在確保晶圓表面平整度方面扮演著不可或缺的角色。

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)不斷演進(jìn)，晶圓尺寸日益增大，厚度持續(xù)減小。在加工過(guò)程中，多種因素會(huì)導(dǎo)致晶圓產(chǎn)生明顯翹曲。比如，經(jīng)歷較大熱過(guò)程（高溫、長(zhǎng)時(shí)間），對(duì)硅片襯底進(jìn)行溝槽刻蝕并填充不同介質(zhì)（因材料和圖形差異），硅片襯底上沉積的膜層應(yīng)力不匹配，以及硅片厚度減薄過(guò)程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力等，都會(huì)使晶圓出現(xiàn)翹曲。

晶圓翹曲會(huì)帶來(lái)一系列嚴(yán)重問題。在光刻環(huán)節(jié)，它對(duì)晶圓邊緣光刻的聚焦影響顯著，大大增加了后續(xù)光刻機(jī)臺(tái)的對(duì)準(zhǔn)難度，進(jìn)而影響套刻精度，最終導(dǎo)致器件性能發(fā)生變化，如defocus問題。即便是滿足設(shè)備加工要求的晶圓翹曲，也可能因熱膨脹系數(shù)不同、應(yīng)力不匹配而存在內(nèi)在缺陷，在受到外力時(shí)，極易在加工過(guò)程中引發(fā)碎片，不僅會(huì)污染加工設(shè)備及相應(yīng)承載工具，導(dǎo)致設(shè)備停產(chǎn)，還需復(fù)雜且昂貴的設(shè)備清洗復(fù)機(jī)過(guò)程。因此，控制晶圓翹曲、保證其表面平整度至關(guān)重要。

Leveling 正是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的重要手段。目前，控制晶圓表面平整性的主要策略是優(yōu)化光阻層厚度的均一性，并在曝光前進(jìn)行 Leveling 掃描。其原理是通過(guò)專門的設(shè)備和技術(shù)，對(duì)晶圓表面進(jìn)行全面掃描，以此確認(rèn)晶圓表面的形貌。在掃描過(guò)程中，能夠精確獲取晶圓表面各個(gè)位置的高度信息，從而構(gòu)建出晶圓表面的三維形貌圖。例如，利用干涉儀（斐索干涉）、白光干涉儀、臺(tái)階儀 / 探針式輪廓儀、原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡等設(shè)備，都可用于獲取晶圓表面形貌及臺(tái)階高度相關(guān)信息，這些信息為 Leveling 提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持。

基于 Leveling 掃描得到的晶圓表面形貌數(shù)據(jù)，便可對(duì)曝光機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)調(diào)整曝光機(jī)的相關(guān)參數(shù)，如光源的角度、強(qiáng)度分布等，使曝光過(guò)程能夠適應(yīng)晶圓表面每一個(gè)shot實(shí)際情況。這樣一來(lái)，即使晶圓存在一定程度的翹曲，也能在一定程度上減少翹曲對(duì)光刻精度的影響，使光刻過(guò)程更加準(zhǔn)確地將掩模板上的圖案轉(zhuǎn)移至光阻層中。

然而，當(dāng)前采用 Leveling 搭配優(yōu)化光阻層厚度均一性的方法，仍存在一定局限性。盡管能夠在一定程度上改善晶圓表面平整度，但仍無(wú)法完全有效地控制，難以補(bǔ)償由于晶圓表面不平整所帶來(lái)的套刻殘留，這也成為了當(dāng)前半導(dǎo)體光刻工藝中亟待解決的問題之一。

為了更精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn) Leveling，在測(cè)量晶圓翹曲相關(guān)參數(shù)方面，有著嚴(yán)格的定義和多樣的測(cè)量方法。翹曲度是晶圓的重要形貌參數(shù)之一，與之相關(guān)的硅片的厚度、TTV(即Total Thickness Variation，總厚度偏差)、BOW(即彎曲度)、WARP(即翹曲度)、TIR(即Total Indicated Reading，總指示讀數(shù))、STIR(即Site Total Indicated Reading，局部總指示讀數(shù))、LTV(即Local Thickness Variation，局部厚度偏差)等。以 TTV 為例，它通過(guò)掃描模式或一系列點(diǎn)測(cè)量過(guò)程中遇到的最大厚度值與最小厚度值之間的差值來(lái)定義，可利用非接觸式測(cè)量探針，通過(guò)監(jiān)測(cè)上下部探針與晶圓表面的間隙變化，并結(jié)合校準(zhǔn)過(guò)程來(lái)計(jì)算得出。BOW 則是自由、未夾緊的晶片的中位表面的中心點(diǎn)與中位表面參考平面的偏差，該參考平面由在圓上等距分布的三個(gè)點(diǎn)確定。WARP 是自由、未夾緊的晶圓的中間表面與參考位置的最大和最小距離之間的差異。針對(duì)這些參數(shù)的測(cè)量，有激光干涉測(cè)量面型輪廓、接觸式臺(tái)階儀、條紋結(jié)構(gòu)光反射成像測(cè)量、電容位移傳感器、激光三角位移傳感器、光譜共焦位移傳感器等多種方案，它們?cè)诔杀?、效率和精度等方面各有?yōu)劣。

Leveling 作為光刻工藝中確保晶圓表面平整度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，雖然目前已廣泛應(yīng)用，但仍需不斷改進(jìn)和完善，以滿足半導(dǎo)體制造日益提高的精度和質(zhì)量要求，推動(dòng)整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不斷向前發(fā)展。

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