1.3 問題概述
本研究之實驗設計是以新竹科學園內從事晶圓代工的半導體廠為對 象，在半導體廠針對廠內產品製造過程中的每一道黃光微影製程完成後，
皆要以 SEM 抽檢產品 CD 是否符合規格。若產品 CD 無法達到規格，則需 要再重新製作，並利用先進製程控制系統調整相關參數，使重作後之產品 CD 能達到規格內之要求。
使用現行 CD 量測方法抽檢產品並以先進製程控制系統調整相關參數
第二章、文獻回顧
2.1 半導體製程介紹
標準互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製造步驟可分為 14 步驟，依序 為：1、雙井製作；2、淺溝渠隔離之製程；3、多晶矽閘極結構之製程；4、
輕掺雜汲極植入製程；5、側壁間隙壁之形成；6、源/汲極離子植入製程；7、
接觸形成；8、區域內連線製程；9、介質孔-1 及插塞-1 之形成；10、金屬
-1 內連線之形成；11、介質孔-2 及插塞-2 之形成；12、金屬-2 內連線之形 成；13、金屬-3 至墊蝕刻及合金；14、參數量測。
其中第三步驟多晶矽閘極結構之製程為電晶體閘極結構的形成，此製 程是製造標準互補式金屬氧化物半導體之關鍵步驟，因為它包含熱成長極 薄之閘極氧化層(Gate Oxide)、圖案化及多晶矽閘極(Polysilicon Gate)之蝕 刻，這也是整個半導體製程中最小的物理結構。多晶矽閘極的寬度經常是 整個晶圓中最關鍵的 CD 線寬。
2.2 黃光微影製程原理
黃光微影是利用感光的光阻材料及控制曝光能量以在晶圓上產生三維 的圖案，黃光微影是晶圓製作的中心，可藉由黃光微影操作在製造中重複 進出即可明顯看出，故黃光微影是半導體製造最關鍵的步驟。
黃光微影是一種複雜的製程，有許多變數和製程容許度有關，如縮小
臨界尺寸、對準容許度、光罩層數及晶圓表面的潔淨度。一般而言，黃光 微影製程歸類為塗佈、曝光、顯影等 3 大步驟：
圖 2-1 黃光微影製程 3 大步驟
黃光微影製程 3 大步驟中又可細分為 8 個步驟，依序為：1、去水烘烤；
2、塗底；3、光阻塗佈；4、軟烤；5、對準及曝光；6、曝光後烘烤；7、
顯影；8、硬烤。對 CD 有顯著影響之步驟說明如下：
(1)光阻塗佈：塗底後藉由晶圓之旋轉塗佈方式覆上一層液態的光阻材 料。晶圓被真空平盤吸附固定，將精確量的液態光阻滴佈在晶圓上，然後 使晶圓旋轉，使晶圓上的光阻塗佈均勻。
不同光阻其光阻塗佈條件亦不同，而對於光阻應用的品質測量有時 間、速度、厚度、均勻性、微粒污染及針孔等缺陷。
圖 2-2 旋轉塗佈步驟
(2)對準及曝光：光罩和覆有光阻之晶圓的適當位置對準，對準時光罩 和晶圓曝於 UV 光下，將光罩影像轉移到塗有光阻的晶圓上一個曝光區
(Shot)，再經由步進動作，在晶圓上曝滿所有 shot。對準和曝光的重要品質 量測為線寬解析度、重疊精確度、微粒及缺陷。
圖 2-3 對準及曝光步驟
(3)顯影後檢查：當晶圓上光阻呈現圖案時，必須檢查光阻圖案的品質。
檢查的目的為發現光阻品質問題及製程特性以做改善。若發現有缺陷，可 將光阻去除再重新進行製程步驟。
2.3 臨界尺寸(Critical Dimension, CD)量測原理與監控方式
臨界尺寸(Critical Dimension, CD)量測的重要理由是為了確認晶圓製造 故過程中，所有的線寬皆已精準控制。半導體製程中通常以掃瞄式電子顯 微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)量測 CD 值。
2.3.1 SEM 量測原理
掃瞄式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)為一複雜的顯 微鏡，使用一高聚焦的電子束掃射待測物之表面，反射回來的電子訊號經 由偵測器量測之，本方法屬於非破壞式與非接觸式。SEM 之重要組件包含 有電子槍(發射電子)、聚焦元件(將電子聚焦成束狀)、靜電磁聚焦系統(使照 射於待測物之電子束集中)。電子束之波長非常小，因此 SEM 電子影像能偵 測原子等級之微小物體。
電子槍於真空反應室(Vacuum Chamber)內產生電子束，理想上此電子束 應具備高趨動電流之穩態電子束與較窄的能量範圍。電子接近表面時，使 用圓柱磁性目標物透鏡(Cylindrical Magnetic Objective Lens)聚焦成一小範 圍之電子束，通常再搭配靜電聚焦(Electrostatic Focusing)組件獲得一高能量
之電子束。接著，電子束到 x-y 偏向裝置(靜電偏向器可調整電子束之入射 位置)，入射電子束撞擊晶圓表面後，電子束與晶圓表面交互作用後產生二 次電子(Second Electron)、背向散射電子(Backscattered Electron)，並同時伴 隨如其他電子、X 射線、光子(Photon)。E-T(Everhart-Thornly)偵測器收集二 次電子並製作出電子影像圖以代表晶圓之表面。背向散射電子經由收集與 分析，可判斷不同材料的組成對比分析。
圖 2-4 CD-SEM 結構圖
2.3.2 CD 監控方式
利用 SEM 截取二次電子訊號，量測晶圓上光阻區圖形，此光阻區域量 測到之二維寬度即為臨界尺寸(CD)。
圖 2-5 CD-SEM 量測原理圖
為增加 CD 量測穩定性並降低量測誤差，量產上會在光罩非元件區製造
5 根臨界尺寸棒(CD Bar)，經由圖形轉移到晶圓每一個 shot 後，利用 SEM 量測此區域之 CD。一般抽檢方式為每一批(Lot)產品抽檢一至三片，每一片 選擇 5 個 shot，每一個 shot 量一至五點 CD bar 位置。依此抽檢方式，每一 批產品需量測 5~75 點 CD。在 SEM 有限產能考量下，一般晶圓廠 CD 量測 點數會少於 10 點/批，故本研究列舉的各種常見的 CD 量測方法皆小於 10 點/批。影響 ADI CD 要素如下：
(1)光罩(Mask)CD：光罩設計時給定一特定規格 CD，經黃光微影製程 轉移圖像後在晶圓上顯現 ADI CD，相同條件下，不同光罩 CD 大小將直接 影響 ADI CD 大小。
(2)曝光光源：曝光能量大小與焦距(Focus)值會直接影響到 CD，相同條 件下，改變能量與焦距皆會影響 CD。
(3)曝光機光源狀態：曝光機動作是以步進方式依序在每一個shot 做一 次曝光動作，在此shot 內各位置的能量與焦距大小會受曝光機台光源能量 影響，光源能量均勻性越差，shot 內各位置的光阻所接受到的能量差異越 大，CD 將隨之改變。
(4)基板條件：薄膜厚度與薄膜品質，會影響黃光微影製程之曝光過 程，在光線穿透光阻(Resist)後，在各薄膜中穿透與反射現象會造成相位與 強度的改變，使光阻在整個曝光過程中接受到的總能量會有所不同，造成 曝光製程不穩定而影響 CD。
(5)光阻條件：相同條件下，改變光阻厚度(Resist Thickness)，會產生與 基板條件改變之相同影響，造成曝光光源相位與強度的改變，光阻在整個 曝光過程中接受到的總能量會有所不同，造成曝光製程不穩定而影響 CD，
此現象稱為光阻擺動趨勢(Swing Curve)。
(6)光阻條件：相同條件下，改變光阻厚度(Resist Thickness)，會產生與 基板條件改變之相同影響，造成曝光光源相位與強度的改變，光阻在整個
曝光過程中接受到的總能量會有所不同，造成曝光製程不穩定而影響 CD，
此現象稱為光阻擺動趨勢(Swing Curve)。
圖 2-6 CD-SEM 量測方式圖
Mask Linearity
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 Mask CD(um)
ADI CD(um)
Mask CD Mask CD+10%
Mask CD-10%
ADI CD
CD
0.15 0.18 0.21 0.24 0.27 0.3 0.33
-0.35 -0.2 -0.05 0.1 0.25 0.4 0.55 0.7 0.85 Focus(um)
ADI CD(um)
25mj 26mj 27mj 28mj 29mj 30mj 31mj 32mj
圖 2-8 能量及焦距值與 CD 關係圖
圖 2-9 曝光機光源能量分佈圖
圖 2-10 光線穿透基板現象示意圖
Swing Curve
0.27 0.28 0.29 0.3 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37
10649 10688 10703 10742 10774 10811 10845 10896 10926 10967 11005 11062
Resist Thickness(A)
ADI CD(um)
ADI CD
圖 2-11 光阻擺動趨勢圖
在所有影響 ADI CD 要因中，以曝光能量的改變對 CD 的變化最具線 性，且曝光能量容易調整且可以準確的修正 CD 之誤差。故量產上皆以調整 曝光能量方式對 CD 做調整。
CD與能量關係圖
先進製程控制系統(Advanced Process Control, APC)主要原理為在黃光 微影製程 8 個步驟完成後，會有量測 CD 值及對準精確度(Alignment
第二批產品 微影製程 ADI CD量測
Et(new) = Et(old)–Ei×[ (X1+X2+X3+X4+Xi) / 5×C1–Xi×C2 ]×100 Et(old)：當批產品使用之曝光能量值。
表 2-1 APC回饋權值
量測 當次 前第一次 前第二次 前第三次 前第四次 總計
回饋權值 0.48 0.08 0.08 0.08 0.08 0.80
2.5 多變量分析與多準則決策分析
2.5.1 多變量分析
多變量统計分析(Multivariate Statistical Analysis)簡稱多變量分析，
為統計學的一支，常用於管理科學、社會科學和生命科學等领域中。
多變量分析主要用於分析擁有多個變數的資料，探討資料彼此之間的 關聯性或是釐清資料的結構，而有別於傳統統計方法所著重的參數估 計以及假設檢定。由於多變量分析方法需要複雜且大量的計算，因此 多借助電腦來進行運算，常用的統計套裝軟體有 SAS、SPSS、Statistical 等。
多變量分析依樣本特性與資料形態之不同，可選用不同衡量方式加 以 評 估 。 常 見 之 分 析 方 法 為 多 元 迴 歸 分 析 (Multiple Regression Analysis)、主成份分析(Principal Component Analysis)、因子分析(Factor Analysis Method)、正準相關分析(Canonical Correlation Analysis)、群落 分析(Cluster Analysis)、判別分析(Discriminatory Analysis)、數量化理論 及潛在結構分析(Latent Structure Analysis)。
2.5.1.1 多元迴歸分析(Multiple Regression Analysis)
多元迴歸分析又稱複迴歸，是定量預測常用的方法之一。它是依據事 物內部因素變化的因果關係來預測事物未來的發展趨勢。由於它依據的是 事物內部的發展規律，因此這種方法比較精確；測報工作中常用的是一元 線性迴歸和多元線性迴歸模型。
一元線性迴歸是指事物發展的自變量與因變量之間是單因素間的簡單 線性關係，它的模型可以表示為：y＝a＋bx。其中 y 是因變量，x 是自變量，
a 是常數，b 是迴歸係數。
多元線性迴歸是指一個因變量與多個自變量之間的線性關係。模型的 一般型式為：y＝a＋b1x1＋b2x2＋---＋bnxn。
其中 y 是因變量，x1、x2、x3、---xn 是自變量，a 是常數，b1、b2、
b3---bn 是迴歸係數。
2.5.1.2 主成份分析(Principal Component Analysis)：
主成份分析是一個多變項統計分析程序，可用來檢定多組數值變項之 間關係，還可用來削減迴歸或集群分析中變項的數目。將一組有相關的隨 機變數，經某種線性組合轉換成新的一組無相關的隨機變數。再將無相關 的隨機變數根據變異的程度由大到小排列，這樣的線性轉換就會使得原變 數(Correlated Variable)的變異(Variation)集中在少數的新變數(Uncorrelated Variable)。因此欲簡化過多而複雜的變數，則可選取少數變異大的新變數，
而捨棄變異小的新變數。這樣雖然會損失少部份的資訊，但在做分析時可 降低分析的複雜度，提升運算的速度。
主成份分析的目的與因子分析不同，它不是抽取變量群中的共性因子，
而是將變量 x1，x2，…，xp 進行線性組合，成為互為正交的新變量 Y1，
而是將變量 x1，x2，…，xp 進行線性組合，成為互為正交的新變量 Y1，