【光刻】基于工艺窗口的OPC Process Window OPC (PWOPC)

　　在实际生产中，光刻机的曝光能量（energy）和聚焦值（focus）会有一些不稳定性。另外，由于掩模制各工艺的原因，掩模上的图形尺寸也不可能和要求的完全一样。这些偏差或不稳定性是不可避免的，但是可以被控制在一定的范围之内。例如，现代光刻机的曝光能量和聚焦值的涨落应该分别能被控制在±5%和±10%之内，而掩模制备工艺必须能保证掩模上最小图形的尺寸偏差在±2nm（已经考虑从掩模投影至硅片存在的4:1倍率）之内。在这个偏差/涨落范围之内，光刻工艺要能保证晶圆上图形的准确性[1]。

　 　为了验证这些偏差对光刻工艺的影响，OPC软件中引入了与光刻工艺窗口相关联的OPC,即PWOPC（process window OPC）。PWOPC是对OPC功能的一种延伸，它可以分析经OPC修正后的图形，在整个工艺窗口范围内的成像行为，不仅是线宽，还可以包括线条端点的收缩、端点与线条之间的间距等[2]。使用PWOPC可以很快发现哪些图形的聚焦深度（DOF）太小，在工艺参数出现漂移时，容易形成所谓的坏点。PWOPC还可以用来预测工艺参数偏移导致的图形之间的对准问题。

图1 （a）正常OPC后的结果　（b）PWOPC处理后的结果

PWOPC是在正常的OPC完成之后进行的，工作步骤如下：

   a)首先使用OPC计算出正常的结果（nominal results），这个结果是不考虑工艺参数变动的。正常的OPC结果保证在最佳条件下，所有的图形都能够达到目标值（target）的要求，没有线条变窄（pinching）和线条之间粘连（bridging）缺陷。但是，当曝光剂量变化4％或聚焦值偏离50nm后，许多地方的线条就会出现变窄和粘连，也就是说这些图形的DOF不够。图1（a）是正常OPC的结果，当曝光剂量和聚焦值变化时，CD的变化较大。

   b)设定工艺参数变化的范围，即建立一个工艺窗口的模型。

   c)设定评判的规则，以及EPE的最大容忍度。

   d)启动PWOPC，完成计算。PWOPC对图形做修正，使得其在一定的工艺参数变化范围内仍然符合要求。例如，当曝光剂量有4％的变化或聚焦值有50nm的偏移时，曝光后的图形不会出现宽度变窄和粘连，如图1（b）所示。

　 　PWOPC可以解决光刻工艺中出现的大部分坏点问题。但是，使用PWOPC修正出来的版图经常会受到掩模规则（mask rule check, MRC）的限制，很难制备出掩模版。

　 　随着PWOPC的使用，也引出了光刻工艺变化带宽（process variation band, PV band）的概念，即在计算中有目的地引入工艺偏差，观察曝光后晶圆上的图形的变化。图1中的绿色和黄色区域就是PWOPC软件计算出的工艺变化带宽，它们代表了曝光能量、聚焦度和掩模上图形尺寸的偏差导致的晶圆上光刻胶图形尺寸的变化。可以看出，这种工艺不稳定导致的曝光偏差主要发生在二维图形处。图2是一个典型光刻图形的工艺变化带宽计算结果。工艺的不稳定性在线条的端点处导致了约15nm的差别，而在一维图形处只有2~3nm的差别。光刻工艺变化带宽太大就意味着曝光时设备和工艺的不稳定性会导致较大的曝光偏差。如果这种偏差超过一定的范围，这里就被称为坏点。OPC软件会把这些“坏点”都标注出来。OPC工程师需要对这些部分做进一步处理[1]。

图2 OPC计算出的光刻工艺变化带宽（图中粉色部分）

参考文献：

[1] 韦亚一，超大规模集成电路先进光刻理论与应用，科学出版社，2016，357-358

[2] Yeh S S, Zhu A, Chen J等. 关于OPC图形的研究. SPIE会议论文, 2014, 90521Y-90521Y9