申 强，赵 磊，刘 磊，曹 鑫

( 中国电子科技集团公司第五十五研究所， 江苏南京 210016)

光刻是整个半导体芯片生产中重要的工艺步骤，在整个生产流程中，同一片圆片一般需要经过多次曝光工艺，形成多个曝光层，层与层之间必须满足精确的位置关系，即套刻精度。光刻工艺的初始阶段，会在第一层曝光时留下标记，作为后续曝光层定位的依据。对准系统是光刻机重要组成部分，其决定了所能达到的套刻精度。NIKON i12D光刻机圆片对准分为搜寻对准（search alignment）和全局对准（enhanced global alignment），可以理解为前者是粗对准，后者是精对准。对准系统的扫描范围只有数百微米[1]，因此，将圆片精准地传送至承片台上，是圆片进行对准的前提和保障。

1 Notch 定位原理

NIKON i12D Type3 型光刻机的Notch 定位分为圆片找中心和圆片Notch 定位两个步骤。机械手从片架取出圆片到达指定位置后，沿着Y 方向，穿过找中心传感器下方后，将圆片放置于旋转台上（如图1 所示）。通过读取反射回传感器上的光信号转换成的电信号，机台能够确定当前圆片的圆心位置，并进行相应的位置补偿，以确保圆片被放置于旋转台上时能够随其同心旋转。圆片找中心的原理在相关论文中已有详细说明[2]，此处不再做过多论述。

图1 原机 Notch 定位结构

Notch 定位采用的是反射式传感器，圆片随旋转台同心旋转时，上方传感器发出的激光打在圆片的表面，沿原路返回，被传感器接收。在圆片的旋转过程中，当圆边经过传感器时，激光被有效反射，因此信号处理板能够接收到明显的光信号，进而转换成高电平信号。而当Notch 经过传感器时，激光直接穿透，没有光返回，信号处理板接收不到光信号，形成低电平信号（如图2 所示）。通过两个传感器的共同作用，进而有效进行Notch 定位。

图2 Notch 定位原理示意图及模拟信号

2 搜寻对准原理

Notch 定位后，圆片被传送至承片台上，完成二次预对准后进行标记对准。对准分为搜寻对准和全局对准，前者是后者的前提和保证。一般对称设置两个搜寻对准标记，M1和M2（如图3 所示），根据程序内编写的标记位置，搜索并确定M1的X1和Y1实际坐标，M2的 Y2实际坐标。通过 Y1和 Y2可以计算出圆片当前位置相对于承片台坐标系的旋转角度。根据X1/Y1/Y2的结果，机台会计算出当前圆片的缩放比例、圆片正交性和圆片旋转，若数值不超限，机台会自动修正并进行全局对准，若数值超限，机台会报警，要求重新进行搜寻对准。

图3 圆片搜寻对准标记示意图

圆片完成所有的工艺步骤后，需要通过划片将完整的圆片切割成单个芯片，应用较为广泛的是砂轮划片机和激光划片机。一般来说，圆片的晶向会与芯片的排布方向近乎平行，那么划片过程中只需沿着平行和垂直晶向的方向切割，划片完好率高。但由于购买的一批次150 mm Notch GaN圆片，晶向与Notch 定义的圆片坐标系存在大约45°的夹角（如图4 所示），即划片槽与晶向之间存在45°夹角。实践证明，此类圆片进行划片工艺时，崩边问题明显，部分芯片管芯被破坏，划片完好率明显下降。为解决此问题，需要在NIKON i12D光刻机上进行光刻工艺时，将圆片旋转45°，使曝光Cell 与晶向平行。

图4 圆片晶向及划片方向示意图

3 Notch 旋转 135°方法

圆片Notch 定位取决于两个Notch 定位传感器，原机的两个传感器位于机台的正前方（见图1），考虑将该传感器以旋转台圆心为中心，逆时针旋转135°左右放置，那么Notch 就会处于工艺需求的位置。为了保证光刻机良好的工作状态，需要定期对机台做测试，为了减少圆片差异对测试结果的影响，一般会选出几片状态较好的圆片，称之为参考片。但由于参考片长期反复的使用，表面活性变差，容易产生掉胶现象，严重影响测试结果。可以通过在圆片表面长一层100 nm 的SiN 介质，有效解决掉胶问题。但由于该层介质为墨蓝色，严重降低了圆片表面的反光性，Notch 定位传感器从上方发光打在圆片表面后，只能接收到较少的反射光，即使将传感器放大器的阈值降到很低，其工作的重复性也较差。同时，将Notch 定位传感器改制于135°位置处，其模块会与侧边的传输手臂产生干涉，因此采用圆片背面Notch 定位的方法（如图5 所示）。

图5 改造后Notch 定位结构

4 Notch 旋转 135°硬件改制

4.1 原机平台改制

将Notch 定位模块安置于原机平台上，位置必须准确。工作时，圆片与旋转台同心，并随之旋转，我们所需要的Notch 135°实际上就是以坐标系的X 正向为基准，旋转台的圆心为参考，逆时针旋转45°，那么Notch 实际上就旋转了135°（见图5）。150 mm 的圆片，半径是75 mm，所设计加工的各模块也有一定的宽度，因此将偏移量设为60 mm。预留的两个螺纹孔用于固定角度调节块，角度调节块设计成U 型槽，方便于Notch 旋转角度的细调，暂且将角度方向的偏移量设为17 mm（如图6 所示）。

图6 原机平台改制示意图

4.2 设计、加工焦距调节块

圆片Notch 定位传感器采用的是KEYENCE双数显光纤发光器FU-21R，理论焦距范围为15 mm±2 mm，连接了KEYENCE FS-V21R 放大器。实践证明，对不同材质的圆片，Si 和GaN，采用背面Notch 定位的方式，当焦平面处于15 mm左右时，能够从放大器上看见明显的反射信号。焦距调节块如图 7 所示，U 型槽 2 用于 Notch 定位传感器高度的调节，以确保工作时圆片背面处于最佳焦平面。

图7 焦距调节块示意图

4.3 设计、加工传感器间距调节块和径向调节块

两个Notch 定位传感器之间的距离对Notch定位结果有很大影响。实践证明，即使将两个传感器按照原机的间距定位，也未必能够实现Notch 的正确定位。在新的模块上，必须要保证两个传感器之间的间距可以调节，因此设计了U 型槽4（如图8 所示），传感器从下往上插入后，从侧边用顶丝固定。圆片随旋转台旋转时，Notch 定位传感器的最佳位置是，所发出的激光打在圆片背面时，近乎与圆边相切。因此，这就对传感器相对于圆片的径向位置提出了较高的要求。原机平台改制的60 mm只是粗略的位置，还必须微调U 型槽1 达到要求的理想位置（如图9 所示）。

图8 传感器间距调节块示意

图9 径向调节块示意图

4.4 设计、加工角度调节块

150 mm GaN 圆片的曝光工艺，标记是在某型号扫描光刻机上曝光完成的[3]。该机台较先进，能够在参数内设置Notch 旋转的角度。因此，一层标记曝光完成后，相对于Notch，标记能够精准地沿着圆片的圆心旋转135°。在i12D 机台上执行后续的曝光工艺时，Notch 必须同样精准地旋转135°，一方面是在执行Y1的搜寻对准时，能够在ITV 内直接看见标记，或者只需要手动移动较少的距离就能看见标记；另一方面，执行Y2对准时，由于机台旋转电动机的能力只有±15 000 μrad 左右，若Notch 角度偏转较大，即使通过手动干预在ITV上看见了Y2的标记，也会因为旋转电动机超限导致报错。如图10 所示，角度调节块上预留了用于旋转角度调节的U 型槽3。

图10 角度调节块示意图

5 位置、信号调节

Si 和GaN 圆片处于焦平面时，可以观察到从Si/GaN 圆片背面反射回的信号可高达300 左右，为保留较大的冗余量，将放大器阈值设定为80。将4 个模块进行组装（如图11 所示），固定于原机平台上。选用带有标记的圆片传片找标记，首先根据Notch 定位效果，对两传感器之间的距离、传感器相对于圆片的径向位置进行调节，确保能够完成Notch 定位。再根据ITV 内标记的位置状态，调节角度调节块，直至圆片传送至承片台上进行搜寻对准时，在ITV 上标记可直接看见，并且标记横平竖直，Y2标记对准时不超限。

图11 Notch 定位模块示意图

6 测试验证

为了验证改造后的成功率与稳定性，对执行圆片传输进行重复性测试。选用一片已有标记的150 mm GaN 圆片，测试次数设置为20 次，执行测试后得图12 所示的数据。i12D 要求的测试指标是：离散（X）＜5 μm，离散（Y）＜5 μm，离散（Y 旋转）＜5 μm。测试结果虽略高于指标，在手动干预的条件下，能够满足生产需求。使用改造后的机台，完成150 mm GaN 圆片的所有曝光工艺，最后进行划片工艺。划片结果表明，芯片崩边的现象得到显著改善，划片完好率明显提升。

图12 圆片传输重复性测试结果

7 结束语

根据所购的150 mm GaN 圆片的晶向，通过对 NIKON i12D（type3）型光刻机 Notch 定位传感器模块的改制，实现了芯片排布方式与圆片晶向平行，有效降低了划片过程中由于芯片崩边而引起的报废概率，显著提升了产品完好率。事实上，本文所设计的模块，在不与机台内部其他硬件干涉的前提下，可实现Notch 任意角度的旋转，成本低廉，结果可靠。