來源：《半導體芯科技》雜志

作者：John Chang, Corey Shay, James Webb, Timothy Chang; ONTO INNOVATION INC

異構集成技術集成了多個來自不同制程與功能各異的芯片來達到更優越的效能。在大尺寸的面板級封裝中，現存的步進式曝光機有著最大單一照射場（Exposure Field）尺寸的限制，迫使圖形化制程中需要使用多個光罩圖形結合來達到更大的封裝尺寸，這導致了較低的生產吞吐量，并增加了制造成本。昂圖科技的新型JetStep?X500曝光機的每單位照射場最大可達到250mmx250mm，大幅降低了每片基板所需的曝光次數，從而進一步降低了扇出型面板級封裝（FOPLP）的制造成本。

高性能電腦，5G，智能手機，數據中心，智能汽車，人工智能與物聯網這些終端應用，大部分都需要使用異構集成技術來達到下一世代的效能需求。為了在單個封裝中集成更多的芯片，單一封裝尺寸將從75mm×75mm成長到150mm×150mm，抑或是更大的尺寸。異構集成是一個重要的技術，引領著我們更接近下一個世代，此世代將各種科技融入了我們的生活之中，不論是智慧型的工廠，或是在城市中穿梭的各種自動駕駛車輛與載具，抑或是將人們更緊密的連接在一起的移動設備和讓人們變得更健康的可穿戴設備，等等。

不論如何，為了更接近下一世代，將帶來一些對于現存科技的挑戰。其中之一便是對于各種終端裝置的效能與功能的要求越來越嚴格。下一世代的異構集成技術，扇出封裝技術與面板級封裝技術便是常用來達成這些要求的技術，這些要求將需要結合更大的封裝尺寸，更小的芯片連結通道與更大的封裝基板，為了同時滿足這些需求，更嚴格的套刻（Overlay）規格將會成為封裝中光刻制程中主要的挑戰之一。（圖1）

△圖1：異構集成（Heterogenous Integration）結合了多個不同的芯片與組件集成，在單一封裝中來達成下一世代的裝置效能需求，所以封裝尺寸可以預期會有顯著的成長。（Source：Cadence）

當重布線層（RDL）一層一層疊加的過程中，或會對封裝基板的表面與內部造成不同的應力影響，這些應力的存在將會導致封裝基板的形變與翹曲。假如封裝基板因為高溫，高壓與其他制程產生形變與翹曲，該狀況將會引起基板上的圖形或芯片偏離原本所應當在的位置，并進而影響光刻制程中套刻的結果，而且此情形在越大的基板尺寸上會更加的嚴峻。當這些圖形或芯片偏移在光刻制程中沒有被完整的認知并矯正，這最終將會導致嚴重的套刻誤差（Overlay Error）進而影響到產品良率。

與此同時，在不久的將來，為了滿足更先進的性能需求，先進封裝（Advanced Package，AP）將會需要1μm線寬的制程，而先進基板封裝（Advanced IC Substrate，AICS）將會需要3μm線寬的制程，并且套刻預算（Overlay Budget）將會變得更加的緊縮。舉例來說，現今的AICS典型的套刻良率（Overlay Yield）只有95%到97%，在更先進的小線寬制程中，我們可以預期套刻良率會更低。

那么，一個極大單位照射場，高分辨率（Extremely Large Exposure Field Fine Resolution）的光刻系統要如何應對這些異構集成所帶來的挑戰呢？為了更好的了解這類系統的性能，例如昂圖科技（ONTO INNOVATION INC.）的JetStep?X500，我們將分析使用光刻系統所收集的圖形與芯片的偏移計量與位移檢測數據，并結合第三方套刻分析程序（Overlay Analysis Algorithm）去分析并了解偏移圖形的誤差項（Error Term）與形變組件（DistortionComponents），進而找出一個可行解決方案或是一套光刻策略來克服這些芯片位移誤差或是圖形形變。為了克服這些種種的挑戰，并且同時滿足大量量產（HVM）的需求，需要設計一個全新的光刻系統：如昂圖科技的JetStep?X500。在此篇研究中，我們成功的展示了如何使用JetStep?X500去克服這些挑戰并達到異構集成中嚴格的套刻需求。

圖形拼接（stitching）的挑戰

異構集成為了增加更多功能或是達到更高的性能，需要集成多個芯片在75mm×75mm，150mm×150mm或者更大的單一封裝之中。針對異構集成的大尺寸封裝，現今先進封裝（Advanced Packaging）步進式曝光機面臨著一個挑戰；最大單位照射場尺寸（Exposure Field Size）只有59mm×59mm的這個限制。對大部分的步進式曝光機而言，因為這個單一照射場的尺寸限制，需要使用多個的曝光步驟來完成上述的封裝尺寸甚至更大的單一封裝尺寸。這種光刻方式就是所謂的“拼接（Stitching）”。

拼接需要多種不同的光罩圖形，高精度需求所帶來的低錯誤容許率而且有低產量的缺點，進而導致生產費用的提高。無論如何，將單一照射場尺寸增大（至少大于150mm×150mm）到不須使用拼接的光刻方式可以排除上述提到的問題，并且可以有效的增加產能。

舉例來說，現今的先進封裝步進式曝光機在使用59mm×59mm的照射場尺寸進行光刻制程，需要64次曝光步驟才能完成一個510mm×515mm基板大小。當我們使用極大照射場曝光機，只需要4個曝光步驟便能完成一個510mm×15mm大小的基板，這實現了不需要拼接光刻方式，并且排除了拼接光刻所需的高精準度與嚴格的均勻度需求。（圖2）

△圖2：在510mm×515mm的面板基板上使用極大單位照射場（250mm×250mm）的曝光布局與使用傳統單位照射場（59mm×59mm）的曝光布局。如圖中所示，使用極大單位照射場的光刻制程只需4次曝光步驟便能完成整片基板，但是使用傳統單位照射場（59mm×59mm）的光刻制程需要64次曝光步驟才能完成整片基板。

JetStep?X500所提供的250mm×250mm單位照射場光刻性能允許用戶在單一次曝光中完成一個或多個大尺寸封裝。相對于傳統的單位照射場光刻方式，有著顯著性的產能提升。這個極大照射場高分辨率的光刻系統裝備了一個可將光罩圖形放大2.2倍的投影鏡組，這使得250mm×250mm極大尺寸照射場成為可能，并且同時具備了3μm的線寬線距解析性能。另外此系統也具備了±400ppm場放大（Magnifification）補償性能與±100ppm單向場變體（Anamorphic Magnification）補償性能，與標準套刻性能可以小于1μm。為了展示該光刻系統的高分辨率性能，我們選擇了尺寸為510mm×515mm的ABF（Ajinomoto Build-up Film）+覆銅板（Copper Clad Laminate）以及銅籽晶層（Copper Seed Layer）晶圓為測試載具，并貼合了10μm的干膜光阻來進行3μm分辨率的展示。

圖3所示的測試結果為JetStep? X500僅使用四次曝光去完成該測試載體的光刻制程，用來展示該系統在使用極大照射場的條件下，3μm線寬線距的性能。圖3展示了在3μm的線寬線距下，該系統可以提供高達60μm的景深（Depth of Focus）性能，這表示該極大照射場高分辨率的光刻系統是可以達成小線寬線距且大尺寸單一封裝的制程，并且同時使用大型尺寸面板為基板來實現大量量產的需求。

△圖3：極大照射場高分辨率光刻系統的分辨率性能（Resolution Performance）展示。（1）在銅籽晶層晶圓上，3μm線寬線距基于10μm厚度的干膜光阻上（深寬比1:3.3)的橫切面結果。（2）3μm，3.5μm與4μm低密度與高密度圖形區域的解析性能結果與比較。（3）3μm線寬在10μm干膜上的泊松曲線（Bossung Curve）分析。X軸為焦距（單位μm），Y軸為關鍵尺寸（CD，單位μm）。從圖中我們可以觀察到在510mmx515mm的測試載具上，3μm線寬線距的景深達到了60μm。

為了測試該光刻系統的標準套刻性能，我們選擇了一個510mm×515mm的玻璃基板，并涂布1.4μm厚的液態光阻薄膜為測試載具。在進行第二層套刻層的圖形化工藝中，每一次曝光皆會使用區域對準校正（Site by Site Correction），如圖4所示。我們將確認第一層圖形與第二層圖形之間套刻誤差去決定最終的套刻結果。套刻誤差值是由判讀區域中的重疊尺標（Overlapped Verniers）來決定的。

△圖4：極大照射場高分辨率光刻系統的標準套刻性能（Standard Overlay Performance）展示。（1）套刻性能展示的曝光布局圖。由四個250 mm×250 mm的曝光照 射場來完成510 mm×515 mm的測試載體的光刻工藝，每個曝光場區域包含了四個對準圖形來進行曝光時的區域對準效正（Site By Site Correction）。（2）圖中 的重疊尺標（Overlapped Vernier）圖形是由第一層光刻圖形與第二層光刻圖形交疊而成，藉由讀取重疊尺標可以決定該區域的套刻結果。（3）套刻結果統計表格。（4）X軸套刻誤差與Y軸套刻誤差分布圖。由圖中可看到套刻誤差平均值接近0，并且沒有明顯峰值被觀察到。

在此套刻性能的展示測試中，每一照射場區域皆包含3×3個量測點，測試載具包含了2×2照射場區域，這代表了我們在測試載具上共量測了36點來決定最終的套刻結果。根據上述的套刻性能結果與分析，極大照射場高分辨率的光刻系統的X軸套刻誤差的平均值+3倍標準差0.91μm，而Y軸套刻誤差的平均值+3倍標準差的結果為0.91μm。這些數字驗證了極大照射場，高解析的光刻系統確實可以達到一個非常極限的套刻數字：小于1μm。而這將是未來先進封裝光刻制程的關鍵之一。

套刻誤差矯正

為了展示極大照射場，高分辨率的光刻系統的圖形誤差矯正性能，我們使用了該系統的場矯正（IntraField Correction）性能與整體矯正（Global Correction）性能來進行這次展示。該光刻系統的整體矯正性能包含了XY方向的平移（Translation），旋轉（Rotation），單軸放大（Scale）和正交（Orthogonality）誤差矯正，而該系統的場矯正性能包含了XY方向的平移（Translation），旋轉（Rotation），場放大（Magnification），輻射歧變（RadialDistortion）和梯形（Trapezoid）誤差矯正。結合場矯正與整體矯正性能可以實現單向場變體（Anamorphic Magnifification）與圖形歪斜（Skew）誤差的矯正性能。該光刻系統裝備了反射式對準系統，該系統可以用來認知對準圖形在基板上的位置，結合該光刻系統的網格式移動平臺的位置信息，我們可以得到該基板上所有圖形的誤差值。將此圖形誤差數據結合昂圖科技的圖形分析算法：StepperMatch和Dolana，我們便可以了解并分析出存在基板中的圖形的誤差項與形變組成組件。

當我們使用StepperMatch與Dolana 分析由光刻系統所收集的圖形誤差數據，我們可以得到該測試基板或載體中的圖形誤差項與形變組成組件。如圖5所示，我們在測試載體上的單一象限區域發現了平移誤差，旋轉誤差，場放大誤差，單向場變體誤差，梯形誤差和歪斜誤差，與單一象限區域不同的是，在測試載體的整體形變中多出了單向桶形變（Anamorphic Pincushion）與輻射歧變（Radial Distortion）形變等。

△圖5：在一個510 mm×515mm尺寸的測試載體上，其中一象限（Quadrant）的誤差項（Error Term）與形變組成組件（Distortion Component)。在此圖表中的數字為分析算法在公式中用來描述每個誤差項用的系數。

我們發現510mm×515mm的測試載具上的每一象限區域皆擁有不同形式的誤差項與形變組件，這代表著整體對準校正（Global Alignment Correction）無法完全的矯正測試載具上存在的位置誤差與形變。每個象限區域都需要獨特補償值去矯正他獨特的位置誤差與形變。這代表了在光刻工藝中，當我們可以針對每個象限區域去矯正該區域獨特的形變與誤差的補償時，那我們將能達到更佳的套刻良率。圖6展示了整體對準校正的誤差形變組件矢量圖與區域對準校正的誤差形變組件矢量圖。這兩張圖皆是由同一個測試載具的數據中分析得出的。從圖6的整體對準校正的平移誤差矢量圖（Translation Error Vector Map）中我們可以觀察到，該誤差方向往左下方偏移，但是在使用區域對準校正的第三象限區域的平移誤差矢量圖，我們可以觀察到該誤差方向往左上方偏移，這整體對準校正的誤差方向是完全相反的，并且在其他的誤差項矢量圖也可以觀察到同樣的狀況。

△圖6：使用整體對準校正（Global Alignment Correction）的誤差形變組件矢量圖與使用區域對準校正（Site By Site Alignment Correction）的誤差形變元件矢量圖的比較。

我們在測試載具涂布上了液態光阻，并應用這篇研究中提及的算法去分析測試載具上的誤差項與形變組件，并針對測試載具上的每一象限區域算出相對應的補償矯正值并應用在曝光制程之中，然后再將該測試載具拿去完成整個圖形化制程。之后我們使用光學顯微鏡與相對應的量測軟件來量測測試載具上套刻的結果。每個象限區域量測左上，左下，右上，右下，并在中間的區域量測2點，所以每個象限區域皆量測6點，測試載具上共有四個象限區域，所以總共量測24點來決定最終套刻的結果。圖7描述了我們如何量測并定義套刻的結果。

△圖7：套刻量測方法，用來決定套刻的X方向誤差，Y方向誤差與矢量。中心的黑點為第0層的核心圖形，較大的圓為第一層的套刻圖形，X方向誤差=X1-X2，Y方向誤差=Y1-Y2，套刻誤差向量=√（X1-X2）2+（Y1-Y2)2。

圖8顯示了測試載具的最終套刻結果。最大的X方向誤差為5.42μm，最大的Y方向誤差為5.72μm。基于測試載具提供者的數據庫，假如圖形形變或偏移有正確的被認知并在曝光制程中使用適當的補償值，我們可以預期最終的套刻結果會小于10μm。根據圖中的資料，套刻誤差的最大矢量值小于7μm，并且X誤差與Y誤差值皆小于6μm。這代表了在此展示中，測試載具上的圖形形變和偏移皆被有正確的認知出來并且被正確的矯正。假如測試載具上的圖形形變和偏移沒有使用適當的補償值矯正的話，那么最終的套刻誤差將會高達20μm或者更高，如圖9所示。

△圖8：使用了適當補償值與矯正方法的套刻結果。圖中單位為μm。最大的套刻誤差小于7μm。

根據前述的研究，我們在測試載具上發現了平移（Translation），旋轉（Rotation），單軸放大（Scale），場放大（Magnification），單向場變體（Anamorphic Magnification），梯形（Trapezoid）和正交（Orthogonality）誤差。這指出了為了得到好的套刻結果。光刻系統能去矯正這些種類的誤差項將會是關鍵之一。

△圖9：沒有使用適當的補償和矯正方式的套刻結果。圖中單位為μm。最大的套刻誤差為23.26μm。這個結果驗證了在光刻工藝中，若沒有使用適當的補償值和矯正方式將會導致極大的套刻誤差進而影響到光刻制程良率。

此研究中的測試載具是使用先進基板封裝的（AICS）制程所制作出來的，測試載具上的對準圖形（Alignment Mark）是經由激光鉆孔工藝所制造出來的。由于激光鉆孔系統的性能限制，我們可以預期并且也實際觀察到由激光鉆孔所制作的對位圖形有位置精準度較低（Low Accuracy）的問題，且圖形形狀控制（Shape Control）性能也比較差，而這些問題將會導致最終對位結果的誤差。（圖10）

△圖10：由激光鉆孔系統（Laser Drill System）所制造出的對位圖形（Alignment Mark)。光刻工藝中的對位圖形可能包含一個或多個以上的圖形。相較于右邊的圖形，左邊的圖形的外觀明顯有缺角，這將會影響光刻系統中的對位系統的判讀并且生成不正確的對位結果（Improper Alignment Solution），進而導致影響到最終的套刻結果與良率。

對位結果的誤差會進一步影響到套刻誤差的結果。即使光刻系統中的對位系統非常精準的認知出對位圖形，根據我們的研究，仍然會有一定的對位誤差存在，為了更進一步地達到更好的套刻結果，這個問題必須被克服。

針對上述的對位結果誤差，我們發現額外的象限區域補償（Additional Zone Compensation）可以有效的解決這個情形。為了更好的了解這個情形，我們使用了昂圖科技所開發出的套刻圖形分析算法來分析并預測當我們使用了額外的象限區域補償后的套刻結果。此算法是專用來分析套刻誤差中可被補償的誤差項（Correctable Term），并且預測矯正后的結果。

在將可補償的誤差項移除后，該算法將可以精準的預測最終的套刻結果。圖11的左圖是未被補償前的套刻結果，而右圖是補償后的最終套刻結果，根據該算法的預測，經過額外的區域補償后，測試載具1和測試載具2上最大的套刻誤差將會降低3.9μm和5.5μm，如同圖11所示。

△圖11：使用額外的區域域補償與不使用額外的曲域補償的套刻誤差比較。根據算法的預測，使用額外的單區域補償可以有效地降低最終套刻的誤差。

根據異構集成與高效能的需求，在不久的將來，先進基板（Advanced IC Substrate）封裝將需要3μm的先進制程來迎合需求。而因應這些先進的制程，也將會需要更嚴格的套刻規格。在先進基板封裝的光刻制程中，傳統的每個重布線層的套刻良率為95%到97%（或者以上）。表1中，左邊的表格是原始套刻良率的累積良率損失，中間的表格為改善后的套刻良率與累積良率損失，右邊的表格則是累積良率的改善。以表1中紅框中為例子，我們將97%設為原始套刻良率，改善后的套刻良率為98%，在一個六層結構的封裝中，僅僅1%的套刻良率改善便可以達到5.29%累積良率的改善。當然這只是一個大概的估算，但是從此估算便可以得知改善套刻良率是整體封裝良率來說是多么的重要。

△表1.光刻制成的套刻良率估算表。在此表格中，原始的套刻良率被設定為97%，在一個六層結構的封裝中，光刻制程最大將會造成16.7%的良率損失。而改善后的套刻良率我們將其設定在98%，光刻制程最大將會造成11.42%的良率損失。而從表格得知，在一個六層結構的封裝中，1%的光刻制程的套刻良率改善便可以達到5.29%最終良率的改善。

結論

基于此篇研究中的資料我們可以得知，一個極大照射場，高分辨率的光刻系統是可以實現3μm的分辨率并且其標準套刻性能可以達到1μm（平均值+3倍標準差）的。研究中也驗證了極大照射場，高分辨率的光刻系統是有性能可以矯正一個510mm×515mm的ABF+CCL基板上的圖形偏移與誤差進而達到良好的套刻結果。根據此篇研究的分析與討論中得知，正確認知并矯正基板中誤差項與圖形形變，使用區域對準校正方法并且加上額外的區域補償將是在扇出型面板級封裝中得到最佳的套刻結果的重要關鍵。

在不久的將來，隨著光刻工藝越來越小的分辨率需求，套刻的規格也會變的越來越嚴格，在異構集成的封裝工藝中，套刻的控制將會變得越來越重要，期許此篇研究可以給用戶們提供一個方向，讓他們可以克服越來越加嚴格的套刻需求。

鳴謝

作者特別要感謝David Giroux，John Kennedy和Karie Li在軟件與算法上的幫助，Casey Donaher和Perry Banks在光刻系統的技術支持，Paul Sun和Jeremy Zhang在光刻制程中的幫助。同時感謝JetStep?X500項目的所有成員們。

審核編輯：湯梓紅