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光刻機的工作過程是這樣的：逐一曝光完硅片上所有的場（field），亦即分步，然后更換硅片，直至曝光完所有的硅片；當(dāng)對硅片進行工藝處理結(jié)束后，更換掩模，接著在硅片上曝光第二層圖形，也就是進行重復(fù)曝光。其中，第二層掩模曝光的圖形必須和第一層掩模曝光準(zhǔn)確的套疊在一起，故稱之為套刻。如圖1所示，假設(shè)圖中的虛線框為第一掩模經(jīng)曝光的圖形，實線框為第二個經(jīng)曝光后的圖形。從理論上講，這兩層圖形應(yīng)該完全重合，但實際上由于各種系統(tǒng)誤差和偶然誤差的存在，導(dǎo)致了這兩層圖形的位置發(fā)生了偏離，也就是通常所說的出現(xiàn)了套刻誤差  。

圖1 套刻誤差分析

在集成電路制造中，晶圓上當(dāng)前層（光刻膠圖形）與參考層（襯底內(nèi)圖形）之間的相對位置，即描述了當(dāng)前的圖形相對于參考圖形沿X和Y方向的偏差和這種偏差在晶圓表面的分布；同時也是監(jiān)測光刻工藝好壞的一個關(guān)鍵指標(biāo)[1]。理想的情況是當(dāng)前層與參考層的圖形正對準(zhǔn)，即套刻誤差為零 。

為了保證設(shè)計在上下兩層的電路能可靠連接，當(dāng)前層中的某一點與參考層中的對應(yīng)點之間的對準(zhǔn)偏差必須小于圖形最小間距的1/3。國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（international technology roadmap for semiconductor，ITRS）對每一個技術(shù)節(jié)點的光刻工藝都提出了套刻誤差的要求，如表1所示。從表中可以看出，隨著技術(shù)節(jié)點的推進，關(guān)鍵光刻層允許的對準(zhǔn)偏差（即套刻誤差）是以大約80%的比例縮小。例如，20nm節(jié)點中關(guān)鍵層的套刻誤差要求（|mean| 3σ）是8.0nm  。

表1 每一個技術(shù)節(jié)點允許的套刻誤差

在光刻工藝中，套刻誤差是通過光刻機對準(zhǔn)系統(tǒng)、套刻誤差測量設(shè)備和對準(zhǔn)修正軟件三部分協(xié)同工作來減小。工作如圖2所示。

圖2 套刻誤差控制系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)流程 

對準(zhǔn)和套刻誤差的區(qū)別：

對準(zhǔn)是指測定晶圓上參考層圖形的位置并調(diào)整曝光系統(tǒng)，使當(dāng)前曝光的圖形與晶圓上的圖形精確重疊的過程。對準(zhǔn)操作是由光刻機中的對準(zhǔn)系統(tǒng)來完成的。而套刻誤差則是衡量對準(zhǔn)好壞的參數(shù)，它直接定量描述當(dāng)前層與參考層之間的位置偏差。套刻誤差由專用測量設(shè)備測量得到  。

導(dǎo)致套刻誤差的主要原因：

導(dǎo)致曝光圖形與參考圖形對準(zhǔn)偏差原因很多。掩模變形或比例不正常、晶圓本身的變形、光刻機投影透鏡系統(tǒng)的失真、晶圓工件臺移動的不均勻等都會引入對準(zhǔn)偏差。