在光刻工艺中，什么是 Leveling ？

在半导体光刻工艺里，诸多环节都对芯片制造的精度与质量有着举足轻重的影响，其中 Leveling（找平）这一关键步骤在确保晶圆表面平整度方面扮演着不可或缺的角色。

随着半导体制造技术不断演进，晶圆尺寸日益增大，厚度持续减小。在加工过程中，多种因素会导致晶圆产生明显翘曲。比如，经历较大热过程（高温、长时间），对硅片衬底进行沟槽刻蚀并填充不同介质（因材料和图形差异），硅片衬底上沉积的膜层应力不匹配，以及硅片厚度减薄过程中产生残余应力等，都会使晶圆出现翘曲。

晶圆翘曲会带来一系列严重问题。在光刻环节，它对晶圆边缘光刻的聚焦影响显著，大大增加了后续光刻机台的对准难度，进而影响套刻精度，最终导致器件性能发生变化，如defocus问题。即便是满足设备加工要求的晶圆翘曲，也可能因热膨胀系数不同、应力不匹配而存在内在缺陷，在受到外力时，极易在加工过程中引发碎片，不仅会污染加工设备及相应承载工具，导致设备停产，还需复杂且昂贵的设备清洗复机过程。因此，控制晶圆翘曲、保证其表面平整度至关重要。

Leveling 正是应对这一挑战的重要手段。目前，控制晶圆表面平整性的主要策略是优化光阻层厚度的均一性，并在曝光前进行 Leveling 扫描。其原理是通过专门的设备和技术，对晶圆表面进行全面扫描，以此确认晶圆表面的形貌。在扫描过程中，能够精确获取晶圆表面各个位置的高度信息，从而构建出晶圆表面的三维形貌图。例如，利用干涉仪（斐索干涉）、白光干涉仪、台阶仪 / 探针式轮廓仪、原子力显微镜、扫描电子显微镜等设备，都可用于获取晶圆表面形貌及台阶高度相关信息，这些信息为 Leveling 提供了关键的数据支持。

基于 Leveling 扫描得到的晶圆表面形貌数据，便可对曝光机进行补偿。通过调整曝光机的相关参数，如光源的角度、强度分布等，使曝光过程能够适应晶圆表面每一个shot实际情况。这样一来，即使晶圆存在一定程度的翘曲，也能在一定程度上减少翘曲对光刻精度的影响，使光刻过程更加准确地将掩模板上的图案转移至光阻层中。

然而，当前采用 Leveling 搭配优化光阻层厚度均一性的方法，仍存在一定局限性。尽管能够在一定程度上改善晶圆表面平整度，但仍无法完全有效地控制，难以补偿由于晶圆表面不平整所带来的套刻残留，这也成为了当前半导体光刻工艺中亟待解决的问题之一。

为了更精准地实现 Leveling，在测量晶圆翘曲相关参数方面，有着严格的定义和多样的测量方法。翘曲度是晶圆的重要形貌参数之一，与之相关的硅片的厚度、TTV(即Total Thickness Variation，总厚度偏差)、BOW(即弯曲度)、WARP(即翘曲度)、TIR(即Total Indicated Reading，总指示读数)、STIR(即Site Total Indicated Reading，局部总指示读数)、LTV(即Local Thickness Variation，局部厚度偏差)等。以 TTV 为例，它通过扫描模式或一系列点测量过程中遇到的最大厚度值与最小厚度值之间的差值来定义，可利用非接触式测量探针，通过监测上下部探针与晶圆表面的间隙变化，并结合校准过程来计算得出。BOW 则是自由、未夹紧的晶片的中位表面的中心点与中位表面参考平面的偏差，该参考平面由在圆上等距分布的三个点确定。WARP 是自由、未夹紧的晶圆的中间表面与参考位置的最大和最小距离之间的差异。针对这些参数的测量，有激光干涉测量面型轮廓、接触式台阶仪、条纹结构光反射成像测量、电容位移传感器、激光三角位移传感器、光谱共焦位移传感器等多种方案，它们在成本、效率和精度等方面各有优劣。

Leveling 作为光刻工艺中确保晶圆表面平整度的关键环节，虽然目前已广泛应用，但仍需不断改进和完善，以满足半导体制造日益提高的精度和质量要求，推动整个半导体产业不断向前发展。

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