光刻就是通过曝光，把掩模版上的图案转移到光刻胶上，再利用刻蚀等技术把图案转移到芯片上，这个图案可以是用于形成器件的离子注入分布，也可以是多晶硅或金属的连线。我们要在掩模版上形成什么图案，取决于设计公司的版图，制作芯片先要有芯片的设计，IC的前端设计就是写代码，主要是设计芯片的功能，IC的后端设计就是把前端的代码转换成器件通过金属线在物理上的连接(当然还是虚拟的，只有芯片在Fab中制造出来才是真实的)，在这个过程中就形成了版图。整个有特定功能的芯片，称之为“die”，放大来看，是由最底部的器件和很多连线组成的，这些连线分为很多层，层与层之间通过“via”来连接，就像盖楼一样，先盖一层然后是立柱，然后是二层，这样就形成了一个整体。

 

接下来进入正题，“die”的版图是由设计公司提供的，最终的制造也是要把die中一层一层的图案全部通过掩模版→光刻→刻蚀等实现在晶圆上，来正确实现芯片的功能。那么一张掩模版(也叫mask，光罩)上只有die的图案吗？当然不是，图1简单的展示了一张光罩的大概形式，可以简单的分为三个区域。

 

图1 光罩上的三个区域

 

正中间的四个浅蓝色方块区域①是四个完全相同的die，die与die之间以及周围的一小条虚线包围的区域②叫做 “scribeline” 即划片道，这两个区域合起来是曝光区域，也叫“shot”。shot之外的部分是光罩的第三个区域，基本上是不会曝光的。一张mask包含这三个区域，所有这些区域里面都有什么图案呢？

 

首先，die里面已经说过了，是实现芯片功能的全部图案，也是最终需要的。fab制作完成后，会通过划片机把每一个die都切出来，经过封装之后就成为了真正的芯片，所以光罩上的其他区域都是辅助作用。

 

Shot外的区域(③)主要用于放置掩膜版的编码、预对准标识，整场对准标识等，这里面的图案除了在整场对准的时候是不会曝光在wafer上的。简单展开说一下预对准标识和整场对准标识，预对准标识是为了让掩模版与放置掩模版的工作台对准，原理如图2所示。预对准还包括晶圆与放置晶圆的工作台之间的对准，掩膜工作台与晶圆工作台的对准，原理基本相同。

图2 二极管在掩模版的预对准标识上方照明，光线透过对准标识，被探测器接受；每个探测器分为对称的四个区域，可以分别探测光信号并判断出标识偏离的相对位置

 

而整场对准标识是在第一次曝光时被刻在wafer左右两边用于每个硅片粗对准的，粗对准就是在预对准的基础之上进一步对准掩模版和wafer。这里需要强调的是，粗对准标记不在shot中而是在整个wafer的两边，后面要提到的精对准标识是在每个shot内部都有。下图3是预对准标记和粗对准标记在mask上的位置。

 

图3 预对准和粗对准标记在mask上的位置

 

接下来是scribeline区域，这里面的东西可就多了。

 

1.精对准的标识，Nikon光刻机的对准标识如下图4所示，

 

（a）                                       (b)

 

图4 a图适用于Nikon光刻机的激光步进对准方式(LSA), 右图适用于Nikon光刻机的场对准方式(FIA)，现在标识的方向光刻机可测出每个shot的x方向的位置，旋转90度就可测出y方向上的位置

 

在每一个shot里会放置在x方向和y方向上，测量这两个标识，就能测出曝光区域也就是shot的中心位置，从而对准当前层的shot与参考层的shot，为了光刻机效率一般会测量20~30个shot的位置来推算出整个wafer上shot位置的分布，用这个网格分布进行当前层的曝光从而与参考层对准，这就是在预对准和粗对准之上的精对准。当然，这样曝光出来肯定也不是完全对准的，也会有套刻误差，这里可以参考本公众号的上一篇文章，套刻误差修正实际上是在对准基础之上进行的修正。

 

2. CD bar，也可以叫CD棒，这个东西就是条状的图案结合在一起的，有很多种不同的形状，大概长下图这样，

 

图5 各种CD bar的样式

 

它的作用是用来测CD，也就是图案的宽度(line)和间距(space)，因为真正刻出来的CD要跟版图一样才是符合要求的，选择划片道中不同位置的CD bar进行测量，如果尺寸都能和版图上的尺寸对应上，就认为die内部的CD也是没有问题的，说明光刻的工艺满足要求，可以继续进行下面的工艺。

 

3. Over lay，就是套刻标记。

 

4. ROT，拼接标识，长下图这样

 

图6 拼接标识

 

我们之前讲对准都是说当前层对准参考层，那要是第一层曝光，没有参考层的时候呢？这时候就没办法进行粗对准和精对准了，只有预对准之后直接进行曝光，曝光之后要看的是shot与shot之间的重叠部分效果如何，通过测量版旋转标记来体现。

 

 

图7 拼接标识在shot中的位置以及曝光之后重叠部分的状态

 

拼接标识被放置在shot中曝光区域重叠的位置，曝光结束后，左右两个标识会对在一起，齿与齿之间的偏差就是重叠的误差。拼接误差的测量结果通过计算反馈到光刻机中进行修正，来让shot之间重叠的更好，跟套刻误差修正原理类似。

 

5. search标记，Nikon的标记大概长下图这样，是为了光刻机能够探测到图案的位置。

 

图8 Nikon光刻机的search标识，拜访的方式是x方向从左往右间距变大，y方向从上到下间距变大

 

除了以上这些，还有光学关键尺寸的OCD标记，用于测膜厚的PAD区域以及用于电性测试的Testkey，这几部分属于量测和测试(WAT)的内容，以后会陆续跟大家分享，不在这里赘述了。

 

最后总结一下，整片光罩上基本上就有下图中的这些东西，die区域是真正需要的、实现设计功能的芯片，而其他部分都是制造过程中用来辅助的。

 

 

来源：芯路探索

关键词： 芯片