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做杠杆炒股任何微小的对准误差都可能导致电路失效或性能下降

随着半导体工艺节点迈向5nm、3nm及更先进水平，晶圆上各层图案的对准精度（Overlay）成为影响良率和性能的关键因素。任何微小的对准误差都可能导致电路失效或性能下降。

面对日益复杂的器件结构，Overlay测量工具在不断提升精度的同时，也成功维持了可接受的测量效率，满足了先进制程的双重需求。先进制程的Overlay容差正迅速收紧。例如，在3nm节点（金属间距约22nm），对准精度已进入个位数纳米级别。为确保5nm和3nm节点的良率，业界正采用新的测量目标设计、机器学习方法及更先进的光学测量系统，以加速关键检测流程。

1. Overlay介绍

Overlay指两个或多个光刻层图案能否精确叠加。每层图案必须与下层结构准确对准，否则将导致连接错位或断点，使器件失效。以3nm节点为例，金属线宽仅约20nm，Overlay容差需控制在2nm以内。如此高的精度要求，对光刻设备、测量工具和工艺控制构成巨大挑战。

Overlay精度已成为影响芯片良率的关键因素之一。其核心目标是确保每层掩膜图形与下方图形的精准对准。在5nm等先进节点，Overlay容差通常仅为图形尺寸的30%，必须严格控制在几纳米内以保证良率。

一个典型芯片包含超过50层掩膜。部分关键层采用极紫外（EUV, 13.5nm）曝光，非关键层则使用深紫外（193nm）曝光。EUV曝光设备、检测系统及算法的关键技术进展，共同提升了Overlay控制能力，实现了更高良率。

Overlay技术发展趋势包括：

1. 采用近红外（near IR）对准：穿透新型硬掩膜材料（尤其是可见光不透明材料），提高测量精度。

2. 设计更贴近电路结构的测量目标：提升实际应用中的测量准确性。

3. 提高测量采样密度：增加数据点覆盖，提升测量代表性和准确性。

4. 应用机器学习算法：加速数据处理，优化在线检测，减少人工干预和误差。

此外，硬件改进（如晶圆吸附盘升级）也在持续优化精度，抵消晶圆弯曲等影响。这些技术进步共同推动Overlay测量精度提升，为先进芯片制造提供坚实支持。

2. EUV光刻的技术挑战与进展

EUV光刻使用13.5nm波长实现更小图形尺寸，但也带来新的Overlay挑战：

● 光学系统复杂：反射式设计增加光路复杂性，易引入图形畸变。

● 掩模热变形：曝光过程中掩模易发热变形，影响图形准确性。

● 随机性效应增强：光子数量减少导致图形边缘粗糙度增加。

EUV工具层面的技术进展对实现高精度Overlay至关重要。光刻不仅需高分辨率打印微小图形，还必须确保层间精准对准。

为实现此目标，晶圆和掩膜上会刻有微小对准标记，供光刻机内部工作台精确定位。设备以扫描方式完成掩膜图案曝光，每次曝光后移动至下一芯片位置重新对准，直至整片晶圆完成。

Overlay测量主要通过两种光学系统完成：显影后检测（ADI）和蚀刻后检测（AEI）。存储芯片加速采用AEI，因其在3D结构（如通道孔）中能更显著反映蚀刻过程引入的偏差。逻辑芯片因器件特征多样，选择代表性特征困难，更多依赖ADI。

每台EUV光刻设备通常配备2至4台Overlay测量设备。常见的测量方法包括基于图像的Overlay（IBO）和基于衍射的Overlay（DBO/散射计量），部分系统结合使用两者。

测量目标通常设计为上下两个光栅结构。通过调整角度成像并检测边缘差异产生信号，实现高精度测量。系统结合ADI和AEI反馈数据，以及光刻机内部传感器信息，进行补偿校正（如平移、旋转及更高阶误差）。光刻机在扫描过程中能进行高阶误差补偿。测量目标通常置于芯片间的切割道（scribe line）区域。测量点越多，运动补偿越精细，精度控制能力越强。

3. 边缘定位误差（EPE）

随着器件特征缩小和掩膜层数增加，Overlay容差预算不断缩减。随机性效应加剧了这一问题，进一步降低了Overlay和关键尺寸（CD）的测量精度。

边缘定位误差（EPE）指晶圆上理想图案与实际制造图案的偏差，主要来源（按重要性排序）：

1. CD均匀性中的随机性误差（如线宽/线边粗糙度）。

2. 光学邻近效应校正（OPC）引起的CD偏差。

3. 全局CD不均匀性。

4. Overlay误差本身。

目前EPE最大来源是难以控制的随机性误差，因此相对可控的Overlay误差成为关注重点。这意味着晶圆厂需要制造EPE极小的器件，但可用于控制Overlay和CD均匀性的预算已不足。因此，对Overlay和CD精度的要求更严苛且提升更快。

业界应对措施包括：

● 提高光学Overlay采样频率。

● 改进现有Overlay测量技术。

● 引入基于扫描电镜（SEM）的Overlay测量技术（适用于ADI和AEI）。

传统光学计量工具通常使用500-650nm波长光源。新技术使用900nm长波长激光，能穿透光学不透明的硬掩膜层（如部分存储芯片层），扩大了测量工具的适用范围。计量系统的灵活性和技术升级对满足不断变化的制程需求至关重要。

4. Overlay测量与校准

测量与校准是确保光刻精度的关键步骤。首次图形定位检查通常在光刻胶显影后（ADI）。若此时发现Overlay超差，晶圆可返工修复。量产中，晶圆厂通常每批次监控约6片晶圆的CD均匀性和Overlay。

现代Overlay监控依赖大量数据采集与分析处理，实现实时监测与校准。通常从晶圆切割道中的测量目标采集数据。必须理解测量数据与器件区域实际Overlay（即器件Overlay）的关系。

由于测量目标图案间距（几百纳米）远大于器件图案间距（约20-30纳米），存在测量目标到器件的偏差（MTD offset），需要进行测量和校准以确保精准定位。

此外，EUV工艺中可能存在局部随机误差（量级达几纳米），通常使用电子束（e-beam）系统测量。结合CD误差和Overlay误差，整体图形定位误差可达4-5纳米。电子显微镜（SEM）用于捕获这些局部随机误差，结合Overlay测量结果，对曝光系统进行校正。电子束成像可提供埃（Å）级分辨率的高精度测量。

测量精度高度依赖目标设计。目标通常置于切割道或器件内特定区域，由多层薄膜堆叠和宽线距光栅图案构成，以适配当前工艺层次并反映器件偏差。为满足更高精度要求，目标正向更小、更精细迁移（如尺寸缩小至4-8微米，远小于传统的25微米目标）。新设计（如利用莫尔条纹效应的目标）具有更高灵敏度。

5. 先进过程控制（APC）

APC是确保制造高精度与稳定性的关键技术。光刻前，通过扫描仪实时测量晶圆形貌，可优化曝光质量并为控制环路提供关键反馈（如识别对焦不均引起的局部Overlay偏差）。

结合物理建模与机器学习的计算Overlay校正技术正在发展。它能在无直接测量的情况下，通过扫描仪数据预测晶圆或批次的Overlay偏差，提供更具前瞻性的优化手段。

行业正转向更高密度的晶圆抽样，以更全面捕捉晶圆内特征分布和批次间差异。这在ADI和AEI中都日益重要。电子束工具尤其关注影响精密工艺稳定性的局部图形定位误差。提高抽样密度对提升测量精度、识别晶圆内变化至关重要，电子束设备可同时在多层测量EPE和CD。

ADI与AEI之间的相关性是过程控制的基础。精确掌握两者关系能有效优化整体控制能力，确保持续提升制程精度。

ADI和AEI是Overlay控制的两个关键环节：ADI适合前端快速修正，AEI更贴近真实结构偏移，二者协同构建了先进工艺中精密的图案对准闭环系统。Overlay误差是EPE控制的核心变量，决定了最终芯片图案的精度与可靠性。

6. 结语

在先进制程中，Overlay控制的核心是实现快速数据反馈以进行及时误差补偿，确保曝光高精度。然而，下一代EUV技术——高数值孔径（High-NA）EUV的引入将带来新挑战。

High-NA EUV采用非等距放大技术（一个方向放大8倍，另一方向放大4倍），导致曝光区域减半，需要在晶圆上进行两片掩模图形的拼接（stitching），对精度和同步性要求更高。随着High-NA EUV发展，Overlay控制的技术难度将进一步提升，特别是在高精度图形拼接和误差补偿方面。业界正通过精确算法和先进光学设计推动技术进步，以应对不断增长的制程要求。

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