摘要：当集成电路工艺发展到65纳米技术节点时，随着图形特征尺寸越来越小，图形越来越密集，势必造成缺陷很难修补。本文介绍了掩模在制作过程中缺陷形成的原因，对掩模缺陷进行分类，阐述了光掩模缺陷修补的重要性和掩模修补原理及方法。比较详细的介绍了激光气化法、局部曝光法、离子束修补。对光掩模缺陷修补方法做了探讨研究。
关键词：光掩模；缺陷修补；离子束修补
掩模是一种统称，又名光掩模或是光罩（Mask，PhotoMask）,掩模是在一个石英基材上以铬膜所构成之集成电路（IC）设计图案，其目的是为了将设计出的集成电路图案利用掩模投影微缩转移至晶圆上。在掩模生产制造过程中，缺陷修补是一道重要工序，尤其是当集成电路工艺发展到65纳米技术节点时，随着图形特征尺寸越来越小，图形复杂多样，对缺陷要求越来越高，若掩模版上存在缺陷，晶圆厂经曝光等工艺流程处理，缺陷就被复刻到圆片上，最终造成集成电路短路异常，使芯片良率降低。掩模制作是整个芯片流程中制造最昂贵的一部分，例如一块可供使用的相移掩模价格高至一两万美元。一块光掩模从曝光到成品周期较长，普通的二元掩模从曝光到成品需10小时以上，相移掩模工序更复杂，所需生产时间更长，如果不修补，报废处理，不但增加生产成本，而且影响产品交期。
掩模是集成电路的母版，经光刻等工艺流程后图形复刻到晶圆表面上，最终导致集成电路异常，使电路出现短路、短路等现象。一般有三种由掩模缺陷引起的缺陷，第一种是脏污，在掩模透光区域上的颗粒或刮伤，在进行光刻时会影响透光率，图形中不透光区域也会在晶圆上留下黑影。第二种是原材料基板中的刮伤，也会影响透光率，或者使光线发生散射，导致晶圆上图形错误。第三种是在掩模制作过程中图形异常，包括金属铬残留、金属铬缺失、小岛、桥连、小孔等。
1光掩模缺陷类型
掩模缺陷根据其成因不同，可以分为多种，包括软缺陷和硬缺陷，其中硬缺陷又包含基板缺陷、缺少金属铬缺陷和多余金属铬缺陷。软缺陷：指纹，颗粒，水渍，残胶等。基板缺陷：气泡，粒子，夹杂物，裂纹，小坑，划痕等。多余金属铬缺陷：小岛，桥连，铬外延，多余铬图形。缺少金属铬缺陷：针孔，透明区扩展，透明区桥连（铬线条断裂），丢失图形等。通常把多余金属铬缺陷称为不透明缺陷，缺少金属铬缺陷称为透明缺陷，常见缺陷类型如图1所示。
1—针孔；2—Cr残留；3—Cr外延；4—小岛；5—Cr桥连；6—指纹；7—溶剂斑；8—丢失图形；9—多余图形；10—灰尘；11—夹杂物；12—Cr断裂；13—刮痕；14—裂纹；15—透明区扩展
图1 常见缺陷类型
掩模缺陷根据所在位置不同，又可分为孤立缺陷（isolated defect）和边缘缺陷（edge defect）。孤立缺陷：远离图形的缺陷称为孤立缺陷。边缘缺陷：与图形邻接的缺陷称为边缘缺陷，含图形某边线外扩缺陷和内缩缺陷。
2掩模缺陷形成原因：
掩模在制作过程中，由于原材料、工艺、设备、环境等方面影响，会产生各种缺陷，主要原因有以下几方面：1、曝光、显影、蚀刻过程中操作不规范掉颗粒；2、基板上颗粒、气泡、划痕、胶涂覆不均匀等；3、制程过程中机设备异常；4、受环境温湿度、风速、静电、洁净度等影响；5、清洗洁净度度，取板过程掉颗粒。
3掩模缺陷修补方法研究
在掩模缺陷修补中，通常采用的方法有激光气化法、局部曝光法、激光束修补、离子束修补等。软缺陷采用Akrion清洗机清洗，Akrion清洗机采用SPM（硫酸与过氧化氢混合液），热水和兆声清洗能有效去除残留在基板上的沾污、水渍、溶剂斑等；基板缺陷随着基板制造工艺的成熟，很多缺陷都能避免。本文主要介绍在掩模制作过程中产生的缺陷，针对透明缺陷与不透明缺陷的几种修补方法的探讨研究。
3.1 激光气化法
在掩模缺陷所有类型中，多余金属铬缺陷占总缺陷数一半以上，激光气化法修补不透明缺陷已普遍运用在掩模缺陷修补中，激光气化法修补简单、实用、效率高。例如EzLaze3修补就是利用激光气化法原理进行缺陷修补的，EzLaze3是利用高能量的激光束打在掩模上，以高热的能量瞬间将铬挥发成气态离开掩模基板，来达到缺陷的修补。
图2、EzLaze3机台简单构造图
图3、EzLaze3激光系统基本结构图
EzLaze3机台构成主要可分为四大部分，（1）分别雷射系统：（2）stage及操作平台；（3）主机台电源供应器；（4）显微镜光学系统。图2为EzLaze3机台简单构造图。物镜分别有：10X,20X,100X此三种放大倍率，电射波长分别有GRN光及UV光，GRN波长532nm,UV波长为355nm，由于两种光波长不一样，激发出的能量就不一样，GRN用来修补金属铬，UV为修补在透光区清洗不掉的颗粒。
EzLaze3激光系统基本结构如图3所示，激光源发射出波长为1064nm的激光波，经过二次谐震变成532nm的GRN光，经三次谐震变成355nm的UV光，根据缺陷类型可以选择相应的电射波长GRN/UV。经光学衰减器可以得到可选择为0-100的雷射能量，一般设置值在40-50%，能量过高容易损伤基板，影响透过率，能量过低金属铬残留无法全部去除干净。
由于受激光束聚焦的影响，EzLaze3修补只能用来修孤立的不透明缺陷，对于图形边缘的缺陷则不适用，容易把图形上的铬打掉，产生新的缺陷。也不能用于修补直径大于30um的金属铬残留，缺陷太大，激光需要打很多次，由于受能量均匀性影响，容易造成局部灼伤，影响掩模透光率。
3.2局部曝光法
对于直径超过30um的金属铬残留，采用激光气化法容易将基板打伤，影响透光率，此时需采用局部曝光法。在KLA检测机台查找出要修复的缺陷之后，通过涂胶机涂一层光刻胶，光刻胶覆盖在金属残留上，然后到Omega6600曝光机台上进行二次曝光，显影之后，已曝光的部位上光刻胶被去掉，而没曝光图形被光刻胶保护起来，缺陷裸露出来，然后，进行蚀刻，将多余的铬蚀刻掉，最后通过去胶机将其余的保护胶去除干净。局部曝光修复流程如图4所示。
（a）找出缺陷 （b）涂胶 （c）局部曝光
(d)显影 （e）蚀刻 （f）去胶
图4、局部曝光修复金属铬残留
局部曝光法可以用来修补较大的不透明缺陷，不会对基板产生任何影响，且能将多余的金属铬残留去除干净，此方法由于工序较多，速度慢，需要占用曝光机时，对产品周期产生一定影响。
图5、Ion Column聚焦离子枪控制系统主要构成说明图
3.3 离子束修补法
激光气化法通常用来修孤立的缺陷，一般不用来修补边缘缺陷，且透明缺陷修补要比不透明缺陷修补难得多，因为涉及到要将某种不透光物质沉积到光罩上,覆盖住透明的小孔，边缘缺陷采用精度更高的离子束技术修补技术。离子束修补系统可以用来修不透明及透明两种缺陷，FEI Accura 850+就是一台典型的离子束修补机。
FEI Accura 850+机台构成主要由四大部分组成，分别为（1）Ion Column聚焦离子枪控制系统；（2）控制系统；（3）辅助气体；（4）真空系统。图5为机台Ion Column聚焦离子枪控制系统主要构成说明图。
FEI Accura 850+离子束缺陷修补原理是利用灯丝加热产生的电子轰击镓（Ga）金属,从而使镓生成镓离子，在电场（Extractor）的作用下，镓离子被导出来，导出镓离子通过静电透镜（lens1）及上八角聚焦镜将散射的电子束聚焦，经过一排大小不一的孔径（Aperture）来决定离子束大小，共设置14个大小不一的孔径，其中直径60um的孔径4个，40um孔径4个，20um孔径6个，孔径越大通过的离子束流就越大，修补时间越短，但大Aperture只能用来修孤立的缺陷，边缘缺陷只能用小的Aperture修，再经过静电透镜（lens2）及下八角聚焦镜二次聚焦至掩模表面，利用离子束与掩模物理碰撞并配合辅助蚀刻气体与沉积气体，来完成光罩缺陷的修补。下图6为离子束缺陷修补机工作原理简单示意图。
图6、离子束缺陷修补机工作原理示意图
FEI Accura 850+离子束缺陷修补系统主要是用于光罩缺陷修补，机台使用金属镓作为离子源，结合辅助反应气体Carbon(styrene)、Bromine、XeF2等对缺陷进行修补，光罩缺陷修补包含蚀刻（Opaque repair）与沉积（Clear repair）。蚀刻用来修不透明缺陷，利用镓离子撞击金属铬，同时金属铬与辅助气体Bromine发生化学反应生成六水合溴化铬（CrBr3•6H2O），六水合溴化铬在真空状态下成气态，在粗抽泵的作用下排出腔体外。缺少铬缺陷修复比较简单，利用聚焦的离子束结合辅助沉积的方法将不透光材料沉积到缺陷所在位置上。沉积材料为Carbon，利用离子束撞击碳氢化合物Carbon，Carbon在离子束的撞击下环形分子键被击段，碳沉积在缺陷位置处，覆盖住透明的小孔。
由于离子束经过于静电透镜及八角聚焦镜形成一束很小的束斑，在65nm节点以下掩模的修复中起了重要作用，聚焦系统把离子束斑聚焦到亚微米甚至纳米级尺寸，广泛用于各种缺陷的修补。 但离子束修补机价格贵，整套离子束修补系统大概在100万美元左右，是激光修补系统的两倍，效率没有激光束修补高，同样大小为5um的不透明缺陷，离子束一个小时可以修3-4片产品，激光束一个小时可以修5-7片产品，由于激光束修补效率较高，所以还是被很多掩模厂同时具备离子束和激光束缺陷修补机。
结束语
本文阐述了掩模缺陷修补的重要性，根据缺陷形成的原因并对缺陷进行分类，不透明缺陷和透明缺陷修补的几种方法及原理，并对激光气化法、局部曝光法、离子束修补进行了归纳和比较。
参考文献：
[1]Peter Van Zant. Micr℃hip Fabrication：A Practical Guide to Semiconductor Pr℃essing, Fifth Edition[M].韩郑生，赵树武，等译.北京：电子工业出版社.2010:89-92.
[2]光掩模激光修补技术[J].冯伯儒.微细加工技术.1994（04）
[3]掩模缺陷及其修补方法[J].冯伯儒.微细加工技术.1986（04）
论文作者:杨长华
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/24
标签：缺陷论文; 离子束论文; 金属论文; 图形论文; 激光论文; 机台论文; 激光束论文; 《电力设备》2018年第32期论文;