本文所介绍的成本分析模型是一种“前瞻性”建模方法，它只考虑剩余工艺步骤的成本，已经花费的成本不在考虑范围之内。也就是说，检查站点之前的材料和工艺成本不会影响到后续工艺是否可以增加附加值。但是，检查站点之前的成品率必须考虑进去，因为它会影响整个工艺的总成品率。

图1. 第一次光罩检查的主要缺陷包括pattern丢失或增加以及CD和曝光差错等。由于出现在该站点的缺陷大多数是影响成品率的不可修复缺陷，因此在该站点进行敏感性缺陷的检查是比较合适的时机。

　　为了说明该成本分析模型，我们假设以普通光罩制作工艺为例。图1所示为制作简单或复杂光罩的常见工艺步骤。制作简单光罩时，铬金属通常位于芯片外围的框架和切割道上。复杂光罩则不同，铬金属薄膜下面嵌有一层高透光率薄膜，铬金属pattern分布在芯片内部，可以达到防止光刻胶背景曝光过度的效果。也就是说，我们必须在几百纳米大小的高透光率薄膜上制作铬金属pattern，并且得到正确的成像效果。简单和复杂光罩制作工艺的主要区别在于第二次曝光的对准程度、分辨率和CD。

　　如图所示，我们可以在第一次或第二次曝光和刻蚀步骤之后进行缺陷检查。第一次检查可能出现的缺陷包括pattern丢失或增加以及边缘定位误差（CD和曝光差错）等。该检查站点的半成品光罩是由石英玻璃上的铬金属形成的二维光罩。此时，光学性质复杂程度最低。由于第一次曝光和刻蚀工艺决定了关键的边缘定位，出现的缺陷大多数是不可修复的，因此影响成品率的缺陷最可能出现在这里。所以，敏感缺陷的检查应该在第一次曝光和刻蚀步骤之后进行。

　　成本分析模型的发展

　　成本分析模型中，工艺过程的成品率和成本是影响检查站点选择的唯一因素。工艺过程成品率是根据经验能否成功完成某一工艺步骤或一系列工艺步骤可能性的估计值。假设缺陷引起的工艺成品率是已经确定的已知数，或者是可以合理估计的数值。我们必须考虑缺陷引起的工艺成品率，因为它和缺陷检查站点密切相关。其它测量步骤，例如CD测量和对准程度测量引起的成品率则不在考虑范围之内。

　　一般来说，光罩制作的平均累积成本（Cumulative Cost）等于材料成本、设备折旧和其它开支的总和除以工艺过程的总成品率。如果我们将整个制作工艺过程分成两半，前后两半分别计算成本和成品率，那么整个工艺制作过程的累积成本等于：

　　方程1中，Yield1和Yield2 分别是第一部分（前段）和第二部分（后段）工艺与缺陷相关的成品率；Cost1和Cost2分别代表前段和后段工艺所用材料（例如光刻胶和其它化学原料）、设备折旧和其它开支成本；Cost1/Yield1等于能够成功进行后段制作所需的实际累积成本。

　　在拆分工艺过程、优化缺陷检查站点的模型分析过程中，需要注意的是检查站点必须设置在能够进行缺陷检查的地方。在该检查站点，光罩制作尚未完成，还需进行下一步曝光和刻蚀等工艺过程。

　　我们希望能够从成品率出发，推算出工艺过程中缺陷检查站点的成本平衡点。首先，让我们来看一下假设只在第二次刻蚀工艺之后，设置一个检查站点时的情况（方程3）。

　　由于只有一个检查站点，因此Yield1’=1.0；Yield2’=Yield1×Yield2。其中，Yield1’=1.0是因为我们不知道前段有那些缺陷及其严重程度，所有的半成品都会进入后段工艺。但是，后段成品率显然会受到前段成品率的影响，因此Yield2’等于前段和后段成品率的乘积。为了计算检查成本平衡支出点，我们假设以上两种方法的后段工艺成本（Cost2和Cost2’）相同，那么Cost1 - Cost1’等于：

　　如果Cost1-Cost1’超过在工艺过程中设置检查站点的实际成本，那么增加检查站点实际上就会节约成本。

　　案例分析

　　首先，让我们研究一下90nm工艺的简单光罩。其中，第一次曝光采用VSB 50KV电子束；第二次曝光采用I线激光。第二次曝光所需时间大约为2小时。第一次和第二次缺陷检查均采用TeraScan检查系统，程序设定和检查所需时间总共为2小时，光罩缺陷修复成本不计算在内。将成本数据与Cost2进行比较后，以前段工艺成品率Yield1为X轴作图，结果如图2所示。

图2. 前段工艺成品率为50%时，增加工艺过程中的检查站点既不会增加也不会降低成本，即所谓的收支平衡点。

　　本例中，第一次缺陷检查的收支平衡点出现在Yield1=50%的地方。当前段工艺成品率为100%时，在工艺过程中增加第一次检查站点不会节约任何后段工艺成本；由于前段工艺没有受到任何缺陷的影响，因此增加检查站点的所有成本都会增加到光罩制作的总成本中。而前段工艺成品率为0%时，后段工艺成本可以100%节省下来，当然这样的工艺流程会带来自身的其它问题，实际上是不能够生产任何光罩的。

　　前段工艺成品率为50%时，增加工艺过程中的检查站点既不会增加也不会降低成本，即所谓的收支平衡点。需要注意的是后段成本对收支平衡点的计算有重要影响。

　　第二个例子是一块复杂的光罩，与以上例子的唯一区别是本例中第二次曝光时采用VSB电子束，曝光总时间为4小时。第二次曝光设备的改变是为了满足提高准性和分辨率的要求。图3所示为相对节约成本与前段工艺成品率之间的关系曲线图。第二次曝光设备的改变提高了第一次缺陷检查站点的收支平衡点，Yield1从50%变为72%。

图3. 后段曝光设备的变化（用电子束取代激光扫描）明显改变了第一次检查站点的收支平衡点。

　　由于第二曝光时间是根据写入数据量变化的变量，而电子束曝光会明显影响第一次缺陷检查站点的收支平衡点，因此我们还针对第二次曝光时间的改变进行了一系列计算，对第二次曝光时间和第一次缺陷检查站点成品率的收支平衡点进行了进一步的分析（图4）。结果显示第二次曝光时间的变化会显著影响前段成品率收支平衡点。其实，这一结果也在预料之中，因为曝光系统折旧是后段制造成本的重要组成部分。

图4. 第二次曝光时间的改变对前段工艺成本收支平衡点的影响。

　　讨论

　　成本分析模型从工艺过程中缺陷检查站点之前的成品率和后续工艺的制造成本出发，为工艺过程中增加缺陷检查站点的成本计算提供了很好的分析手段和办法。但是，实际上在决定是否要在工艺过程中增加或取消检查站点还要考虑到很多其它因素。

　　首先，我们必须考虑制造工艺是否成熟、成品率是否稳定、是否知道相关缺陷的来源等等。假设成品率已经相对稳定，我们也知道缺陷来源的Pareto分布（至少知道它来自前段还是后段工艺）。在工艺过程中增加检查站点可以加速学习周期，提高成品率。第一个例子中，前段工艺成品率为50%是在工艺过程中增加检查站点的成本收支平衡点。如果取消了工艺过程中的检查站点，那么检测到相关缺陷的时间就会加长，从而延长整个学习周期，减慢成品率提高的速度，最终导致总成本的增加。

　　假设前段工艺的成品率很高，后段工艺或设备的改变可能会引起成本预算的重新评估。第二个例子中，第二次曝光设备的变化导致平衡点发生明显改变。用VSB电子束取代激光大大增加了后段工艺的成本。光罩分辨率提高技术（RETs）也越来越复杂，可能也会推动光罩制造业继续沿着这个方向发展。

　　决定是否在工艺过程中增加检查站点时，我们还要考虑到第二次曝光设备的功能和利用率。当第二次曝光设备的利用率或功能较差时，增加检查站点可以帮助我们事先找到受缺陷影响的光罩半成品，有利于提高第二次曝光设备的有效生产率。

　　成本分析模型必须根据实际情况进行分析。前段工艺成品率受很多因素的影响，例如光罩是为哪个工艺技术制作的、光罩用于哪层结构（栅极、接触孔、金属布线或微通孔）等等。光罩RET技术也与以上两个因素相关，因此为每项RET技术增加合适的检查站点和检查方法也是十分必要的。每项需求都要根据各自前段工艺成品率和后段制造成本进行相应的成本模型分析。

　　修复能力和复杂程度也必须在决定是否增加检查站点时考虑进去。例如，涉及石英刻蚀的光罩制作工艺中，修复铬金属缺陷就要比修复石英缺陷容易。

　　尽管没有在本文中进行详细讨论，第二次检查也必须进行优化，使之可以检测到后段工艺过程中产生的缺陷。对于简单光罩来说，它涉及铬金属pattern的丢失或增加等。这类缺陷的检查通常没有CD和边缘对准差错的检查那么严格。

　　考虑是否要增加检查站点时容易疏忽的一个因素是对检查系统（即测试光罩）评估的影响。测试光罩通常是RET光罩，其设计必须包括可以在工艺过程中增加检查站点的工艺步骤。

　　结论

　　在光罩制作工艺过程中增加检查站点可以降低光罩制作成本，前段工艺成品率和后段工艺成本是决定成本节约幅度的影响因素。其收支平衡点必须根据实际情况进行分析，因为成品率和成本会受到光罩RET技术和后段曝光手段等因素的影响。

　　后段工艺成本的变化会显著影响工艺过程中检查站点成品率的收支平衡点。当后段工艺发生变化时必须进行重新评估和分析。该分析手法的重点是成本，但是在工艺过程中增加检查站点时，工艺时间的影响程度有时会比成本更重要。

　　作者简介

　　Larry Zurbrick 在KLA-Tencor工作了14年。现在，他是光罩制作和光罩检查技术市场部的高级经理。加入KLA-Tencor之前，他在光罩制造公司担任过8年以上的工程和管理职务，在光刻领域也有6年的工作经验。他毕业于Rochester Institute of Techonology，光学本科学位。