這篇文章主要針對將即時折射指數監測系統安裝進類比光阻給料管線(此管線用於傳輸光阻材料給微影設備)問題的研究。此研究目的是確定這種折射指數技術是否能被用來對所有可能的光阻材料進行區分，這些光阻材料可被傳輸給微影工具並與其他材料區分開。使用此項技術最主要目的是防止因採用錯誤光阻材料導致微影製程有問題。使用錯誤光阻材料會導致製程流程後期階段晶圓報廢，造成大量金錢損失。世偉洛克®CR-288®濃度監測器使用安裝進模擬光阻給料管線內的感測器對每種光阻材料進行監控和檢測。通過將CR-288濃度監測器安裝進微影製程系統內，就可對每種深紫外光(DUV)光阻材料確認和區分，有10種就能區分出10種，這樣可大大降低業主成本並避免浪費。
背景
目前，瓶裝光阻材料要在微影設備上手動更換。如製程流程中有大量不同光阻材料，可能導致安裝錯誤。這導致每年有大量晶圓報廢及金錢損失。損失大小取決於整個流程中錯誤發生在哪。其他對成本有影響的因素是從光阻材料錯誤安裝到檢測之間的延遲時間；那時晶圓輸送等級；因微影設備及其它下游設備污染導致的停工。
另一增加危險隱患的因素是製程流程中的大量微影設備。一間典型的滿負荷300 mm晶圓廠，每年生產240,000個晶圓並製造七級快閃記憶體，擁有約35台微影設備。假設50%的設備用於DUV，約有17台設備適用於DUV光阻材料檢測方法。需要特別注意的是一條軌道中最多有四個製程反應容器，同時處理四個晶圓，每一個有六個噴嘴。幸運的是，一次只有一種光阻材料被送進所有這些製程反應容器。
即時折射指數(RI)感測器－世偉洛克® CR-288®濃度監測器
CR-288濃度監測器工作原理基於斯涅爾折射定律。該定律給出光線通過兩種折射指數不一致介質(如液體和玻璃)交界面時入射角和反射角之間的關係。
CR-288濃度監測器使用光學系統即時精確測量液體折射指數。利用光學反射幾何，當液體與CR-288感測器內藍寶石窗接觸時測量其折射指數。此感測器包括一微型完全集成光學反射子系統。感測器內發光二極體(LED)發出的光束投射到藍寶石窗上，當液體流經3.65”(93 mm)高的感測器時，與藍寶石窗接觸進行測量。然後光束散射在如圖一所示的128圖元二極體陣列上。
圖一：CR-288感測器和內部配置顯示出與液體相關的光源分佈、藍寶石窗和二極體陣列。
這樣，CR-288濃度監測器以最高精度通過測量臨界角來測出液體折射指數。CR-288濃度監測器的演算法也能通過折射指數來確定化學品濃度。此外，感測器使用反射幾何和優化流道測量液體。此技術使過去利用傳導光學幾何技術不能測量的液體變成可測量。
溶液折射指數通常隨液體溫度增加而降低。因此，利用已獲專利的雙溫度補償方法在CR-288監測器內折射指數測量間進行溫度補償。折射的測量以溫度為20℃ (68℉)時為標準，以保證溫度和RI [1,2,3]之間關係的基本特性。圖二詳細解釋了對四種所選液體RI是怎樣隨溫度變化而變化的。注意，與其他三種液體相比，水的RI變化很少。
圖二：所選物質溫度與折射指數關係。
CR-288濃度監測器在即時光阻材料監測應用中的關鍵是感測器可以把一種光阻材料的RI與其他的區分開來，在不重疊的情況下可靠確認每種光阻材料。
實驗部分
建議將CR-288 RI感測器安裝進微影系統。
圖三：該圖是典型晶圓廠光刻系統結構圖及CR-288即時RI設備建議安裝位置。
微影系統主要目的是將所需特徵作用在晶圓上。此流程包括旋塗、烘烤、曝光、顯影、再次烘烤和檢驗。在塗覆過程中，光阻材料被旋塗在晶圓上。光阻材料暴露在UV光源中會起反應。
在典型微影製程(圖三)中，每個晶圓約有2毫升光阻材料每隔70秒被分送出去。光阻材料一般通過1/4 in. 管線傳送給設備。體積流速約每分鐘1.4至2 mL 。在手動瓶裝安裝點和分送點之間有20英尺，分送前有大量機會可線上測量確認光阻材料。理想情況下，光阻材料在瓶的下游測量，但是要在泵的上游，以緩解任何壓力脈衝不一致。在這個案例中，這一方案表明約在10英尺卡套管範圍內具有大量機會挑揀出已安裝光阻材料的RI信號。
微影應用中用CR-288濃度監測器進行了三個不同實驗。第一個也是最複雜的一個是獲取15種光阻材料中每一種的唯一且獨特的RI數值，包括10 種DUV光阻材料。15種獨特光阻材料樣本被裝在50 mL容器內。實驗在生產實驗室環境進行。整套實驗由一系列靜態測試組成，使用注射器模擬通過感測器的光阻流。
使用隨機注入模式在15種光阻材料上進行三組測試，以瞭解使用此技術的可重複性。所有測試只用一個CR-288感測器即可。使用CR-288濃度監測器生成的RI讀數通過一自動臺式折射儀—(型號Leica, AR600)檢驗。每種光阻材料在臺式儀上的RI讀數和CR-288上的讀數都會即時記錄在表一A中(參見結果和討論)
圖四為靜態測試裝置。一小段1/4 in. 薄壁PTFE管垂直插入CR-288濃度監測器進口，一長段同樣管子連接到感測器出口插入廢物收集瓶。感測器根據世偉洛克推薦安裝說明平行安裝。使用Eppendorf®注射器注射一系列化學光阻材料。每次取樣之間都要使用丙酮沖洗感測器並隨後通清潔乾燥空氣。
圖四：上圖所示為適用於所有三種實驗的基本測試裝置。
廢物收集
首次試驗流程―確認每一光阻材料―第一步是校準用在去離子(DI)水上的CR-288濃度監測器。接下來，從15種光阻材料中隨機選一種注入感測器測量RI。同時，將同種材料注入臺式折射儀。兩個設備所測出的RI都會被記錄進表一A。另外，CR-288濃度監測結果通過感測器軟體資料庫分別記錄。之後，使用丙酮清洗感測器和折射儀。另外，用氮氣吹掃感測器。清洗後，隨機選擇另一種光阻材料注入感測器通過兩種裝置測量。
此不連續的隨機注射、測量和清洗會反覆進行直到15種樣品都被確認。最終，對每種光阻材料的三個測量實驗最多重複兩次。重要的是注意每次重複時，樣品的選擇和測量都是隨機進行以消除任何測試順序偏見。
第二個是「現實世界」中一錯誤光阻材料被送給進製程管線的情景模擬實驗。此測試模擬的場景是，不同光阻材料連續被即時傳送進微影設備，不可能在兩種材料之間清潔或吹掃。這種情況下，重要的是要知道它到達製程設備前已經安裝了不同的光阻材料。進行實驗2之前，感測器要重置為零。各種光阻樣品被相繼連續且隨機注入同一感測器並測量，如圖四所示。實驗二的RI資料被記入表二，CR-288資料通過感測器軟體、288-connect® 軟體儲存。
實驗三是溫度穩定性測試。設計目的是確定感測器溫度變化對所測RI的影響。此測試將每種光阻材料留在感測器內約兩小時以確定溫度範圍變化及對光阻材料RI的影響。選擇樣品F測試。在兩小時之前和之後通過感測器視窗收集的RI資料被總結記錄進表一B。
結果和討論
如圖一A所示，試驗1成功可靠地從15種光阻材料中確認出11種。確認的11種中有9種使用標準感測器範圍確認。對每種光阻材料顯示出唯一RI特徵的千個峰值都可在圖五中看到。
應強調的一點是當在實驗2中獲得有利結果時要注意模擬實驗室測試和真實世界線上微影應用之間有很大不同。測試通常很保守，增強CR-288濃度監測器在現實環境中應用的信心。例如，實驗使用小尺寸小體積樣品和注入方式(脈衝式流量)，而非持續阻流。在現實條件下，光阻材料體積通常更大且阻流更持續，防止持續性光阻線上混合(通常在實驗中，注射器已排空，感測器內流量變成靜態時會發生)。真正線上光刻應用使用一穩定低流量光阻材料通過感測器，這樣如果光阻材料安裝錯誤，在正確和非正確光阻材料之間會觀察到很大變化，因為平穩的阻流會壓制住兩者之間任何混合的影響。 這將導致清晰的RI變化並因此發出警告，防止晶圓損失。
最後，實驗3是一快速溫度測試確定周圍環境變化對RI的影響及感測器LED內部本身可能對RI的影響。選擇樣品F，其最初的RI值與樣品J相當接近。對這個測試，樣品F被注入CR-288感測器且卡套管被夾在管端，保持液體狀態為靜態兩小時，這段時間房間溫度會變化且感測器內任何LED能量可能變化。表一B顯示最初兩小時溫度平穩測試之前，樣品F的RI值為1.42931。圖十顯示兩小時後，RI值上升僅0.00030 RIUs達到約1.42962。
圖十：實驗3，溫度穩定性測試。
即使有小幅波動，樣品F新的有所上升的值和緊接下來的光阻材料J(RI值 = 1.4301，表一B)之間RI誤差不足以導致樣品F被誤認為是樣品J。兩種光阻材料仍能被區分。
注意圖十，經兩小時觀察，靜態流體溫度從約20℃ (68℉)上升到約21.4℃ (70.8℉)。這是很小的溫度變化。然而，從此測試中可看出如果無溫度補償，很小的溫度變化也會影響RI讀數。事實上，樣品F經兩小時RI波動後，應用了-0.000498溫度補償係數(TCC)，使RI值回落到基礎值，如圖十所示。也應注意之後由於TCC沒有重新歸零，導致RI與之前讀數有誤差。如傳感器重新歸零，再加上溫度補償應用，RI與之前讀數相比將回到基礎值。
結論與建議
作為此研究一部分的三種實驗顯示使用CR-288濃度監測器線上監測光阻應用即時防止製程管線有誤，防止不正確光阻材料安裝進光刻製程設備具有可行性。測量可重複性讓人滿意。同時，在不同經測試DUV光阻之間的RI區分顯示這是一可行的單獨確定每種材料的方法，因此保證不正確光阻不會流進微影設備，引發警報，並將其從設備中分流到廢物區以避免報廢或重複工作。簡而言之，10種DUV光阻材料是可區分的，儘管相差最少的值只有0.00010 RIU。在合適的流量條件和溫度補償及溫度控制下，CR-288濃度監測器有能力區分不同光阻。也對溫度波動的影響做了研究。鑑於CR-288濃度監測器有溫度補償能力，因此這不成為對不同光阻材料即時區分和確認的障礙。
未來工作的議題包括線上系統的原型、集成和測試，具有警告發佈和分流閥選購件。另外，當光阻化學繼續發展並擴大RI值範圍，未來可能在擴展感測器檢測範圍方面有許多工作要做。另外需要潛在跟蹤的專案是溫度穩定性研究，理解光刻設備典型的氣候控制條件後仿效進行。最後，儘管此項工作很有可能區分不同的光阻材料，但仍需對光阻批次與批次不同及其對RI的影響進行研究。SST-AP/Taiwan
致謝
作者希望感謝Micron Technology, Inc. 的Greg Montainino, 因為從實驗成立階段到成功進行測試都離不開他對我們團隊強有力的支援。對於他熱情地與我們分享實驗室資源、化學品、安裝設備等我們深表感激，沒有他的協助我們不可能得出這麼好的結果。
參考文獻
- C. Aparece, C. Wacinski, & S. Rajan,“使用即時濃度監測的CMP研磨液混合製程優化和成本改進”，先進半導體製造會議 11- 12 (2007年6月)：320-325
- 世偉洛克公司® CR-288®濃度監測器用戶手冊, 2006.
- R. Chiarello et al, “使用即時、使用點感測器控制液體化學濃度” Micro Magazine, 2005年5月期,於2005年2月14-16日舉辦的半導體純水和化學品會議(SPWCC)講義中重印。