半导体工艺系列 | 如何造好一片光掩模第一弹

熟悉蔡司显微镜的同学必定了解，凭借176年来在光学领域的不断探索，目前蔡司是可同时提供涵盖传统光学显微镜、激光共聚焦显微镜、X射线显微镜以及电子显微镜的多种显微成像解决方案的生产制造商。

然而可能并不为人熟知的是，蔡司也是一家可以提供微芯片光刻技术解决方案的公司。通过制造光学，光掩模系统，工艺控制解决方案，以及和ASML等行业巨擘通力合作（点击查看），蔡司为半导体制造提供全方位、高品质的应用技术支持与服务。从本期开始，我们将开启一个全新的话题系列：如何造好一片光掩模。

▲ 光掩模生产工艺流程（部分图片来源：Mycronic）

以上图为例，在成熟制程中常见的Cr两相掩模，其制造过程可以简单分为曝光、刻蚀、量测和对准，缺陷检查、修复和验证等。得益于在（电子）光学及成像领域的深厚积淀，蔡司在掩模量测，微调，修复和验证这些制作过程中有着自己的方案。

从本期起，我们将倒序依次介绍这些解决方案。而本期的“主角”就是AIMS^®机台，它在掩模版出厂前至关重要的验证环节中，扮演着非常重要的角色。

在光掩模制程中，缺陷验证是至关重要的，我们需要了解光掩模缺陷在光刻工艺上的影响，确保其在送到光刻机进行曝光前被全数剔除。

空间像测量系统AIMS (Aerial Image Measurement System) 的光学系统和光刻机的曝光系统非常类似，可以实现模拟光刻机曝光的效果，通过掩模后的衍射束透过投影透镜组，会聚在CCD相机上，并将图样显示在屏幕上。AIMS^®利用与光刻机类似的曝光条件分析掩模的性能，CCD接收到的图像与晶圆上接收的图像是类似的^[1]。

正因为这样的特性，技术人员可以利用AIMS^®直接观测到缺陷对成像的影响，进而分析和排查关键缺陷^[2]。因此，AIMS^®在掩模厂中使用得相当广泛，已经成为掩模厂的标配设备之一。下图是一组典型的通过AIMS®获取的模拟光刻空间成像。

▲ AIMS获取的模拟曝光图像

除了模拟曝光结果这个功能，与掩模缺陷检测设备相比，AIMS^®具有更优异的分辨率，常用于检查掩模上OPC (Optical Proximity Correction) 图形的质量，以及测量掩模修补区域的透射率^[3]。

目前AIMS®系统能利用其与光刻机等效的光刻环境及技术，实现各类”高端操作”的光掩模缺陷验证，例如双重图形化 (Double Patterning)、光源暨光掩模协同优化技术(SMO)、以及反演光刻 (Inverse Lithography)等。

蔡司第一台AIMS^®于1993年导入，如今此系统已成为蔡司标准光掩模生产的一道工艺，保证出品至芯片厂使用的光掩模无缺陷。在随后推出的248nm、193nm、EUV光源的光刻工艺上，为了确保光掩模上的图案无缺陷地转印到芯片上，蔡司提供了一系列专业的解决方案，例如AIMS fab neo，AIMS 1X 193i，和AIMS EUV等。

藉由转印分析，AIMS^®能够精准验证光掩模的缺陷是否已被修复。而随着光刻分辨率的要求逐年提高，AIMS^®设备也在不断完善升级。除此之外，AIMS^®的另一个强大用途就是可以直接获取掩模图形成像时的空间对比度，这对于新型掩模的开发非常有意义^[4]。

▲ AIMS^®机台外观

此外，也有相关研究使用缺陷的扫描电镜照片来做模拟计算，以确定缺陷对最终成像的影响，从而决定是否需要进一步做修复^[5]。

在如下对比图中，诚然电镜照片相较检测设备获得的光学图像，清晰度更好，分辨率更高，提取的轮廓也更精确。然而影响成像的关键在于缺陷的位置和大小，掩模图像的细节在通过光刻系统时，低空间频率的信号会被过滤，导致事实上这些细节无法被分辨，亦对曝光结果影响不大。

▲ 光学成像系统 (a)，模拟重构 (b)，以及扫描电镜 (c) 获取光掩模上的缺陷图像，从上到下依次为电极类光掩模上的不同类型缺陷^[5]。图片来源：见参考文献[5]。

因此在效率和全面性上，光学成像相对电子束成像仍具有综合优势。而在AIMS结果和SEM图像发生冲突时，仍以AIMS的结论为准。

当然，提到扫描电镜，蔡司也在近些年陆续推出了场发射扫描电镜Sigma和GeminiSEM系列产品，可以满足半导体生产和研发过程中的多种应用场合，例如：颗粒物、表面形貌、多层膜结构、涂层、微纳尺度电学分析等。而更简单的操作平台，更智能的工作流程，以及更集成的分析系统，都使得蔡司检测和分析的效率与精度迈上了新的台阶。