微电子材料与制程【第六章 微影技術】

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6-1 簡介
微影術(Lithography)在半導體製程上較狹義之定義，一般是指以光子束經由圖罩(Mask, Reticle)對晶圓(Wafer)上之阻劑照射；以電子束、離子束經由圖罩、圖規(Stencil)對阻劑照射；或不經由圖罩、圖規，對阻劑直接照射（直寫），使阻劑產生極性變化、主鏈斷鏈、主鏈交連等化學作用，經顯影後將圖罩、圖規或直寫之特定圖案轉移至晶圓。此特定之圖案可供後續製程，如離子佈植、金屬蒸鍍，電漿蝕刻之用。較廣義的微影技術則包含了上述後續製程。微影技術可以可見光(Visible)、近紫外光(Near Ultra-Violet, NUV)、中紫外光(Mid UV, MUV)、深紫外光(Deep UV, DUV)、真空紫外光(Vacuum UV, VUV)、極短紫外光(Extreme UV, EUV)、X-光(X-Ray)等光源對阻劑進行照射；或以高能電子束(25 ~ 100 keV)，低能電子束( ~ 100 eV)，鎵離子(Ga+)聚焦離子束(10 ~ 100 keV)對阻劑進行照射。光學相關波長範圍整理如圖6-1-1以供參考。

隨著半導體積體電路之積體層次的快速增加，微影技術所要求的線幅寬度也越來越小。製造64百萬位元(64 Megabit)動態隨機存取記憶體(DRAM)的設計準則(Design Rules)最小線幅寬度約為0.35微米；256百萬位元約為0.25微米；10億位元(1 Gigabit)約為0.18微米；40億位元(4 Gigabit)約為0.15 ~ 0.13微米。

低壓及高壓汞(Hg)或汞-氙(Hg-Xe)（氙音仙）弧燈(Arc Lamp)在近紫外光波長範圍(350~450奈米)有二條光強度甚強之發射光譜線，即436奈米之G-線與365奈米之I-線。此兩波長為目前照射步進機之主力機種。以I-線為例，傳統微影製程，其解像度大致在0.35～0.30微米間；如搭配使用特殊製程，如偏軸發光(Off-Axis Illumination, OAI)；相移圖罩(Phase-ShiftingMask, PSM)；表層成像(Top Surface Imaging, TSI)；含光酸之化學放大型阻劑(Chemically Amplified Resist, CAR)；活性離子蝕刻(Reactive Ion Etching, RIE)；電子迴旋共振(Electron Cyclotron Resonance, ECR)、螺旋波(Helicon Wave)等低壓及高密度電漿蝕刻；化學機械磨平(Chemical Mechanical Polishing, CMP)等，解像度當可推進至0.30 ~ 0.25微米。光學微影改善微影品質方法綜合歸納如圖6-1-2。

光學微影解像度最終極限在何處，一直有爭議。G-線與I-線步進機在半導體製程上已屬黃昏機種，接替波長為248奈米氟化氪(KrF)準分子(激雙子)雷射，解像度在0.25 ~ 0.18微米。接替248奈米者為193奈米氟化氬(ArF)雷射，解像度約在0.18 ~ 0.13微米。193奈米之後，接替波長可能為末代光學之157奈米氟(F2)雷射，解像度約在0.13 ~ 0.08微米。在此之後，當進入後光學微影(Post-Optical Lithography)新紀元，何種機種能脫穎而出，成為後光學微影主力機種，目前尚不明朗，主要視美、日半導體業界之決策。一般而言，可能有下列五種選擇：一為波長13奈米之釹：釔鋁紅榴石(Neodymium: Yttrium Aluminum Garnet, Nd:YAG)雷射誘發電漿之極短紫外光(Extreme UV)(亦稱為點光源X-光、軟X-光)，解像度約在0.15微米；二為波長0.8奈米為主之密實尺寸(Compact Size)同步輻射X-光（硬X-光），解像度約在0.1微米；三為具高電子亮度場發射電子源之單元投影式(Cell Projection)電子束微影，圖案之縮小投影(Reduction Projection)功能可達20 ~ 30倍，解像度約在0.1微米；四為限角度散射投影式電子束微影(Scattering with Angular Limitation Projection Electron Beam Lithography, SCALPEL)，亦可縮小投影，解像度約在0.07微米；五為離子束投影式微影(Ion Projection Lithography, IPL)，主要使用H+、H2+、He+離子，無光學之繞射、電子束之鄰近效應等缺點，且聚焦深度甚長，可大面積照射。解像度約在0.08微米。上述各機種之解像度並非絕對，尚可改進。

光學微影商業化量產之解像度極限在何處﹖根據光子與光學儀裝工程師學會(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, SPIE)民86年2月出版之光學工程報導(Optical Engineering Reports, OE Reports)指出，半導體商業化量產之微影解像度將停留在0.15 ~ 0.13微米相當長之時間。因為，線路欲比0.15 ~ 0.13微米更細線化、晶方更微小化，相當不易，且不易降低量產成本。半導體業界有一摩爾定理(Moore’s Law)，預測每一晶方(Chip)上電晶體數目每18個月增加二倍(Transistors per chip doubles every 18 months)，或每三年增加四倍。已過去之十幾年，半導體技術之進展相當符合此定理。

微影技術之發展日新月異，雖然新機台、新材料、新製程不斷如泉湧而出，但為因應電子元件未來日益趨向輕薄短小之需求，微影技術之改進亦面臨愈來愈嚴苛之挑戰。在可預見之未來，符合摩爾定理之可能性將愈趨微小。微影技術之良窳（窳音雨）決定了元件之品質、良率與成本。微影技術在半導體製程中實具有關鍵性之影響。國內微影製程研發人員在此方面大有可為。我國神話故事中夸父追日、精衛填海所表現之勇往直前、永不氣餒、追求永無止境極限的精神，值得大家學習與共勉。

最後，本章如有繆誤、落伍、疏忽之處，尚請海內外專家學者不吝指正，共為我中華民族微電子工業之發展與科技中文化之推動，略盡棉薄之力。

補充：

1. 本章用字易引起困擾之讀音，註明如下：

　　汞氙（氙音仙），鉻膜（鉻音各），良窳（窳音雨），嵌附（嵌音千），龜裂（龜音均），碳氟氯（氟音福，氯音律），鎢鉭合金（鉭音坦），鏤空（鏤音漏），真空泵（泵音四聲之崩），羧酸（羧音一聲之最），脫序簇（簇音醋），門檻濃度（檻音坎）。

2. 一般習用名辭如光阻劑、曝光、光罩，僅適用光學微影，不適用電子束、離子束微影，因與光無關。為簡便與統一，本章改以阻劑(Resist)、照射(Exposure)、圖罩(Mask)表示，以適用於各種微影，並可適用於濕蝕刻與電漿蝕刻。


6-2 微影方式
光學、X-光、電子束、聚焦離子束皆可以鄰近法、投影法完成微影。因步進機、掃描機構造複雜，需相當之專業知識，加上各廠商有各自之設計，新機種不斷推出，因此，本節僅介紹較基本部份。

6-2-1 近紫外光(Near UV, NUV)365奈米I-線微影
低壓及高壓汞(Hg)或汞-氙(Hg-Xe)弧燈在近紫外光波長範圍(350～450奈米)有二條光強度甚強之發射光譜線，即436奈米之G-線與365奈米之I-線。此兩波長為目前照射步進機之主力機種。以I-線為例，傳統微影製程，其解像度大致在0.35微米；如搭配使用特殊製程，如偏軸發光(OAI)、相移圖罩(PSM)，表層成像(TSI)、活性離子蝕刻(RIE)等，解像度有機會推進至0.30 ~ 0.25微米。縮小4 ~ 5倍之G-線與I-線生產線用步進機，其數值孔徑約0.40 ~ 0.63，相擾度約0.5 ~ 0.6，固定或分段調整。此法優點為步進機之功能已相當穩定；相關製程、材料已相當成熟。缺點為波長較長，量產之微影解像度有其光學上之極限，已無法滿足未來0.25 ~ 0.13微米線幅之需求。

6-2-2 氟化氪(KrF) 248奈米準分子雷射深紫外光(Deep UV, DUV)微影
此為未來3-5年之主力機種，解像度可達0.25 ~ 0.18微米，適合製備256 Megabit DRAM [A] [5-2-1]。

6-2-2-1相關重要事項
1. 雷射：一般氣體準分子雷射，其半高波寬約為900皮米(pm, Picometer)。自由奔馳雷射(Free Running Laser)，其半高波寬約為300皮米。如經波帶窄化為光譜窄化雷射(Spectrally Narrowed Laser)，半高波寬可達約3皮米，但價格極昂。

2. 透鏡：優良之透鏡需考慮其折射率(n)、色散(Dispersion, dn/dl )、溫度色散(dn/dt)、像差(Aberration)、散射(scatter)、吸收(absorption)、雙折射(birefringence)等困擾。另外，雷射脈衝激發臭氧生成，將劣化透鏡功能。透鏡常用材料如下：

a. 熔融氧化矽(fused silica)：易導致透鏡組縮密(Compaction)與吸熱不均產生色心(Color Center)二問題，因而導致像差、光偏振化、光程差改變、折射率改變等困擾。

b. 氟化鈣(CaF2)：長晶難、不易研磨、製備透鏡與分光器困難、極昂貴、且熱膨脹係數較大。透鏡組之溫度色散與光程差變異較小。產生色心在約360奈米波長，對微影無影響。透鏡組壽命較長，整體性能較熔融氧化矽優良。為目前適用於193與157奈米波長之最佳材料。未來亦可能應用於248奈米。

c. 氟化鎂(MgF2)：為雙折射材料，此致命缺點不易克服。

d. 氟化鋰(LiF)：吸濕性太強，材質軟，不適合製備透鏡。

3. 成像系統。參看圖6-2-1。

a. 反射式(Reflective, Catoptric)：光源波寬可較大，但解像度受限。

b. 折射式(Refractive, Dioptric)：光源波寬限2 ~ 3皮米。僅能使用價格極昂貴之光譜窄化雷射。透鏡組需20組以上。

c. 反射折射混合式(Catadioptric)：光源波寬可達4奈米。可用汞或汞-氙弧燈、自由奔馳雷射。透鏡組僅需約12組，成本大為降低。此混合式較進步，可能為未來成像系統之主流。

4. 步進機與掃描機（參看圖6-2-2）：

生產線用248奈米機台，其數值孔徑約0.40 ~ 0.63，相擾度約0.3 ~0.8，固定或分段調整。機台有步進－重複機(Step-and-Repeat)，或簡稱步進機(Stepper)與步進－掃描機(Step-and-Scan)，或簡稱掃描機(Scanner)二種。兩者差異與優、缺點簡要說明如下：

a. 步進機

優點：光強度較強，照射景域一次完成照射，所需照射時間較短；僅晶圓平台移動，易控制準確度，對準較易。

缺點：需較大透鏡；光強度較強，透鏡易受傷害；對不平晶圓無法分割照射景域，聚焦深度受限；光徑在縮小投影透鏡系統位置固定，無平均像差等之效應。
　

　

b. 掃描機

優點：透鏡可較小，成本低，易製造，像差少；可分割照射景域，對不平晶圓之聚焦深度長；掃描照射面積可甚大，適合大晶圓；光徑移動，可平均投影透鏡系統之扭曲、曲率及像差等。對晶圓平坦性、聚焦誤差之寬容度皆較大。可改善晶圓上相對於線條垂直（應力弱）與平行（應力強）方向拉伸應力不同造成投影縮小倍率之差異（約10 ppm）。

缺點：光強度較弱，照射主要由狹縫寬度與掃描速度決定，照射時間較長；以狹縫景域(Slit Field)掃描，須越過晶方(Chip)一狹縫寬度距離，才可完成晶方面積之掃描，即有過掃描(Overscan)行為，浪費照射時間；圖罩x-y平台與晶圓x-y-Z平台須同步移動，對準較難。（因投影與圖罩圖案左右倒置，故晶圓平台須與圖罩平台反向同步移動。如加裝反射鏡，可改為同向同步移動。）

c. 未來趨勢

縮小4或5倍之步進機將圖罩之圖案縮小後，在晶圓(Wafer)上形成1個照射景域(Exposure Field)，或稱照射射域(Exposure Shot)、影像景域(Image Field)，以涵蓋至少1個或2個以上晶方(Chip)之面積。64 Megabit DRAM之晶方面積為10毫米? 20毫米，為涵蓋2個晶方，以方便檢測與互相比對，最小照射景域需22毫米? 22毫米。使用6吋(~152毫米)圖罩，縮小4倍(4? )，照射景域約為25毫米? 33毫米，在此條件下，步進機之透鏡景域(Lens Field)直徑需~41毫米，故需較大透鏡，成本高，不易製造，且像差較大。掃描機之透鏡景域僅需26毫米，透鏡可較小，成本低，易製造，且像差少。

未來製備256 Megabit DRAM (晶方12毫米? 24毫米)，1 Gigabit (15 ? 30)，4 Gigabit (18 ? 36)，需要可配合之更大照射景域。步進機需要更大之透鏡，有其成本、製造、像差等困擾，不易克服。此時，掃描機僅需較小透鏡之優點將能凸顯，再加上述其他優點，較適合未來量產微影機台需求。半導體業界普遍認為，使用強反射弱折射混合式之掃描機應為未來微影機台主流，以適應未來在大晶圓上製備大晶方之需求。
  
　

註：晶方與圖方(Die)定義未明確區分，未切割前常稱為晶方，切割後常稱為圖方。以64 Megabit DRAM為例，1個晶方表1個64 Megabit DRAM，常用8個或8+1（檢查、校正等用）共9個64 Megabit (百萬位元) DRAM構成1個64 Megabyte (百萬位元組) DRAM。1位元組(Byte) = 8位元(Bit)。

6-2-2-2 量產機台規格(Specification)
量產機台需求規格一般如下表，供參考而已，並非絕對：
  　 KrF (248 nm)
ArF (193 nm)

脈衝能量（每脈衝）
Pulse Energy
12.5 mJ
4.0 mJ

脈衝穩定性
Pulse Stability
< 3%
< 3%

脈衝重複率（每秒）
Repetition Rate
> 600 Hz
> 400 Hz

平均輸出功率
Average Power
7.5 W (12.5 mJ x 600 Hz)
1.6 W (4.0 mJ x 400 Hz)

波長穩定性（折射式）
Wavelength Stability
< 0.1~ 0.2 pm
< 0.15 pm

半高波寬（折射式）
FWHM*
< 0.8 pm
< 1.0 pm

透鏡材料
Lens Materials
Fused Silica
Fused Silica, CaF2, MgF2



*FWHM: Full Width at Half Maximum，半高波寬

補充：氧化矽(silica, SiO2)按其結晶狀態，約可分為下列三種：

1. 石英(Quartz)：具長距(Long Range)規則性(Order)之結晶。

2. 熔融氧化矽(fused silica)：僅具短距(Short Range)規則性之結晶。為玻璃態(Glassy State)。

3. 非晶氧化矽(Amorphous silica)：無任何或僅具極短距(Very Short Range)規則性之結晶。無定形之非晶體。無固定之熔點。

6-2-3 氟化氬(ArF) 193奈米與氟(F2)157奈米準分子雷射深紫外光(Deep UV, DUV)微影
6-2-3-1 氟化氬(ArF) 193奈米
一般共識屬於下一代光學微影主力機種，解像度可涵蓋0.18 ~ 0.13微米[5-2-2(1)]。量產機台需求規格參看上表。相關重要事項如下：

1. 雷射

a. ArF氣體準分子雷射：自由奔馳雷射其半高波寬約為300皮米，光譜窄化雷射其半高波寬約為7.2皮米，價格極昂。發光效率僅約KrF之半。193奈米能量高，易傷害透鏡，故功率不宜高。

b. 固態雷射(Solid-State Laser)：目前重複率可高達>10 kHz；半高波寬<0.1皮米。優點為較氣體準分子雷射可靠、耐用、價廉、且維護成本低。固態雷射尚未臻成熟。

2. 透鏡材料

a. 熔融氧化矽；能隙與193奈米(6.43 eV)相近，易吸收能量而受熱，重要性將漸不如氟化鈣。

b. 氟化鈣：如前述整體性能較熔融氧化矽優良。將成為主要材料。

3. 成像系統

a. 反射式：解像度受限，已不受重視。

b. 折射式：193奈米能量高，易傷害透鏡。以氟化鈣製備折射式透鏡組不易。如以融熔氧化矽構成眾多透鏡組，因易吸收193奈米能量，光強度較在248奈米降低甚多。

c. 反射折射混合式：熔融氧化矽可製備此式所需之大型分光器(Beamsplitter)，但有嚴重縮密與色心問題。氟化鈣則不易製備大型分光器。此式綜合優點較多，預測為未來成像系統之主流。

4. 步進機與掃描機

商業化機台即將推出。平均輸出功率較低，故產率較248奈米低。光子能量高，透鏡組易受傷，導致機台壽命短。輸出功率、波寬、對準、穩定性、總聚焦深度等皆有待改進。日本尼康(Nikon)先導掃描機之照射景域為25毫米? 33毫米，縮小4倍(4? )，對準之準確度可達45奈米，適合使用6吋圖罩。採用反射折射混合式之掃描機，具有綜合優點較多，應為未來193奈米微影機台設計之主流。

6-2-3-2 氟(F2)157奈米[5-2-2(2)]
目前僅有研發用機種，輸出功率約8W。氟化鈣為唯一可用之透鏡材料，參看圖6-2-3。適用阻劑尚待研發，可能須使用雙層阻劑系統或表層成像。解像度可達0.08微米(80奈米)。微影機台設計方向尚未定。157奈米前景不明，成為最後一代光學微影之機會尚不明朗。

6-2-4 雷射誘發電漿13奈米極短紫外光(Extreme UV, EUV)微影
極短紫外光(EUV)微影[5-2-3]所使用的波長範圍為10 ~ 100奈米，與1 ~ 25奈米軟X光(Soft X-ray)微影波長部份重疊。兩者區別不依波長範圍，而依成像方式。以1:1接觸法、1:1鄰近法成像者歸類為軟X-光微影；以縮小倍率投影成像者，早期稱之為投影式X-光微影，民80年代後逐漸改稱極短紫外光微影。EUV主要光源為雷射誘發電漿產生之X-光，目前研發之重點，集中在13奈米波長。

EUV相當特殊，因許多物質對13奈米波長具有極強之吸收，透射式投影成像系統不宜使用，故必須利用多層膜式的反射鏡所構成反射式投影系統。其圖罩設計為配合反射式系統，亦為反射式。雷射誘發電漿系統與反射鏡簡介如下：

1. 雷射誘發脈衝電漿(Laser Induced Pulsed Plasma)系統

雷射常用釹：釔鋁紅榴石(Nd:YAG, Neodymium: Yttrium Aluminum Garnet)雷射，因其脈衝能量、脈衝間隔、功率等能符合誘發電漿之需要。其未處理波長為1064奈米，可利用倍頻器使操作波段改變，如二倍頻則為532奈米，目前最高有5倍頻212.8奈米。

常見誘發電漿原理是利用雷射聚焦於板狀靶材，雷射提供能量，切除靶材表面的原子，並使原子離子化(Ionization)，在靶材表面形成一電漿柱(Plume)。雷射不斷提供能量，並與電漿柱耦合(Coupling)，使電漿柱升溫並擴大。在電漿柱溫度夠高時，可激出原子K, L內層軌域之電子，當外層軌域之高能電子填補此缺位時，釋出對應之能量，發出X-光。

電漿系統之壁上或鏡片上，常形成污屑(Debris)。減少污屑方法可將靶材高速旋轉，使由靶材上所產生的物質沿靶材旋轉的切線方向離開靶材[5-2-3]；亦可藉由於光源腔內通入氦(He)、氪(Kr)等緩衝氣體使光源腔之壓力提升。另外，Nd:YAG直接聚焦於氙氣(Xe)，亦可誘發電漿，放出EUV。

2. 反射鏡

波長在100奈米以上，一般可用鋁(Al)，表面加一層MgF2膜加以保護，避免其氧化，其反射率可達到90%以上。波長13奈米時，則常以鉬(Mo)與Si或鈮(Nb)與Si交互沈積或蒸鍍於基材，形成一周期性的多層膜構造。當滿足布拉格(Bragg)方程式時，反射波有建設性干涉，可得高反射率，供作為反射鏡之用。

13奈米EUV解像度可達0.13 ~ 0.15微米。近年來，雷射誘發電漿發光之功率已逐漸獲得提升，發光品質亦大為改善。

6-2-5 X-光微影
X-光微影解像度高，具有0.1微米以下之製程能力[5-2-4]，簡介如下。

6-2-5-1 X-光光源
1. 電子束撞擊金屬靶極X-光：傳統X-光是在真空中以電子束撞擊金屬靶(Cu, Mo, A1等)而得。

2. 雷射誘發脈衝電漿X-光：參看本章5-2-4。

3. 同步輻射X-光

電子或帶電粒子進行加速度或減速度運動時，即產生輻射。電子繞圓周運動，方向改變，速度減慢，此時有負加速運動，可產生輻射，釋出能量。但因受磁場作用力增速，可維持速度不變。電子運動速度較低時，幾乎在任何方向皆產生輻射。速度接近光速，即相對論速度時，在電子圓周運動平面沿其切線方向，有輻射產生，發散度甚低，且限制在一小張角、錐體形之範圍內。此輻射稱之同步輻射，波長涵蓋範圍甚廣，其中含X-光。

4. 其他：如Transition Radiation, X-Ray Laser, Pinched Gas Induced Plasma, Exploding Wire Induced Plasma，較少見。

6-2-5-2 同步輻射0.8奈米X-光
具有功率高、亮度高、光斑小、準直性(Collimation)良好，偏振性小、聚焦深度大、穿透能力強等優越特性。故X-光微影成像中，以同步輻射X-光（主要為0.8奈米，8埃）光源最佳，且可有效消除半陰影效應(Penumbra Effect)。X-光現已可用密實尺寸(Compact Size)同步輻射，如IBM委託英國Oxford Instruments建造的Helios，體積如一小房間，可開出20餘道X-光光束線，成本大幅降低，可與深紫外光競爭。

6-2-5-3 照射與對準(Alignment)系統
X-光微影目前以1:1之鄰近法為主，解像度R= ( G l / a )1/2。參看圖6-3-11。使用相移圖罩可增加鄰近法微影圖罩與晶圓之間距G (Gap)，改善製程寬容度。

縮小投影法亦在發展中，但困難甚多。圖罩常用透射式或反射式。圖6-2-4顯示使用反射式圖罩之雷射誘發電漿X-光投影式微影。對準系統甚為複雜，有多種方式。圖6-2-5顯示對準系統使用偏折板(Zone Plate)搭配晶圓上之繞射光柵(Diffraction Grating)。

6-2-5-4 X-光微影半陰影效應
非同步輻射X-光，或稱點光源，因準直性不佳，會在圖罩上圖案邊緣擴散(Diffusion)，在阻劑表面產生模糊陰影。此模糊陰影，由單側邊緣產生，不同於習見之全陰影，故稱半陰影效應(Penumbra Effect)。如晶圓因應力、受熱等而變型，圖罩至阻劑表面之間隙(Gap)較設計間隙為大，半陰影效應將更嚴重。半陰影效應常以二參數表示。一為半陰影模糊(Penumbral Blur) d，二為側向偏移(Lateral Shift, Run-Out) D。參看圖6-2-6。同步輻射X-光準直性良好，在平坦晶圓上，幾無半陰影效應。但在不平之變型晶圓上，仍有輕微半陰影效應。

6-2-5-5 X-光微影優、缺點
A. 優點

1. 波長短，解像度高，具有奈米製程能力。

2. 對0.10 ~ 0.05微米線幅而言，其繞射現象甚小，可以忽略。

3. 聚焦深度大，製程寬容度佳。

4. 穿透能力強，圖罩上的污染、微粒不會轉印在晶圓上。可用較厚的阻劑，適用深寬比(Aspect Ratio)甚大之圖案。

5. 可大範圍的有效照射。

6. 晶圓在X-光波長之折射率趨近於1，近於空氣或真空，X-光可近直線穿透晶圓，無駐波效應，故不需抗反射塗佈。

7. 小型同步輻射X-光功率高，光準直性甚佳，幾乎無半陰影效應，且可開出多道光束線，成本降低，可與光學照射競爭。

B. 缺點

1. 傳統金屬靶及雷射誘發X-光光源功率低，準直性差。

2. 傳統金屬靶及雷射誘發X-光有半陰影效應。

3. 縮小步進機製作不易。

4. 晶圓對準問題較不容易解決。

5. 圖罩製作不易。

6. X-光能量高，會加熱圖罩。

　

6-2-6 電子束微影
電子束微影為極重要之微影法，其適合製備原型圖罩(Master Mask)之重要性與獨一性，在可預見之未來，尚無法由其他微影技術所取代。未來發展目標為對晶圓進行縮小投影式微影，達到商業化量產之經濟規模。

6-2-6-1 傳統電子束微影
傳統電子束微影可謂已相當成熟，重點分述如下。

A. 電子源

1. 熱游離發射(Thermionic Emission)

通常以鎢或六硼化鑭(LaB6)單晶體為電子源。鎢電流亮度(A/cm2 sr)低，真空度要求低(10-6托)，壽命短。六硼化鑭之電流亮度較鎢高，真空度要求亦較高(10-8托)，壽命較長，故目前廣為使用。六硼化鑭晶體主要使用?110?切面，並切成平頂形，可得較穩定電子流。

2. 場發射(Field Emission)

場發射以電場吸出電子，較熱離子之電流亮度高，真空度要求亦較高(10-9 ~ 10-10托)，壽命亦長。較新的發展是使用鋯/氧/鎢(Zr/O/W)合金以熱(Thermal)或冷(Cold)場發射提供電子束，較LaB6之電流亮度可提高100 ~ 1000倍之多。

B. 電子束照射方式。如圖6-2-7 (a)

1. 陣列掃描法(Raster Scan)：

電子束配合平台的移動，掃描整個可能有圖形的地方，對有圖案區，電子束為亮；無圖案區，電子束則自動關閉。此種掃描方式主要為圓點束照射系統所採用，適合晶圓上有大面積圖案者。如同點陣(Dot Matrix)或陣列式列表機之作用。

2. 矢向掃描法 (Vector Scan)：

電子束直接照射有圖案處，完成照射後，便直接移至另一圖案繼續照射，對無圖案區則不掃描。可調式照射系統及部份點狀式系統屬於此法，適合晶圓上僅有小面積圖案者。

3. 形狀束(Shaped Beam)：非掃描法，一次對較大面積照射。

C. 電子束照射至晶圓之形狀。如圖6-2-7(b,c)

電腦程式先將欲照射圖案自動分割為適當之形狀與面積，電子束再逐次照射。電子束形狀直接影響照射速率，可歸納為四種，簡述如下。

1. 圓點束(Round Beam)

電子束入射到阻劑時，呈廣義之高斯(Gaussian)分佈，俯視似圓點，亦稱高斯圓點束。其優點為簡單、便宜，解像度高。缺點為每個圖形皆需由無數個微小的高斯圓點所組成，速度甚慢。其照射時間和所設定之電子束直徑之平方成反比。可使用陣列式或矢向式掃描法。高斯圓點束直徑(Beam Diameter)在25 kV時 ~35奈米；50 kV時 ~8奈米。聚焦直徑最大約3微米。

　
2. 定形束(Fixed Shaped Beam)

電子束形狀以一片方形孔徑(Square Aperture)規範為方形，圖案由此固定之方形排列組合而成，照射時間較圓點束少。

3. 變形束(Variable Shaped Beam)

變形束較定形束增加一片固定不動之方形孔徑，調整電子束偏折方向，電子束通過此二片方形孔徑後，可得多種任意方形。圖形可較定形束更少照射次數完成，加快照射速度。其掃描法為矢向式。如圖6-2-8。

4. 圖規束(Shaping Mask Beam)

不用變形束固定不動之方形孔徑，改以可移動之鏤空圖規上各式形狀，以定義電子束形狀，供單元投影(Cell Projection)照射用。此為定義電子束形狀最進步方法，所需照射次數最少。如圖6-2-8。

D. 電子束投影式步進機與變形束成像、單元投影成像

電子束投影式步進機，近年來發展甚快，縮小倍率已可達25倍，如圖6-2-9。投影式步進機較傳統電子束多加裝了一片鏤空圖規(Open-Stencil, Cell Mask, Shaping Mask)，此圖規上包含所需之各式圖案之組成單元。單元投影成像包含了變形束之使用。如圖6-2-8。說明如下。

1. 變形束：舊型純粹變形束機台設計通常不具縮小投影功能。在第一片方形孔徑之下，使用第二片方形孔徑，此二片皆固定不移動(圖5-2-8中之Square Aperture)。藉調整電子束偏折方向與移動晶圓平台，完成照射。新型變形束機台，二片方形孔徑皆可移動，且有縮小投影功能。

2. 單元投影：在第一片方形孔徑之下，第二片使用圖規(圖6-2-8中之Shaping Mask)。除調整電子束偏折方向與移動晶圓平台外，上下兩片亦可適當移位互動。複雜圖案以圖規上單元進行照射，週邊簡單圖案以變形束方式照射。互相搭配，完成照射。

對於相同圖案而言，單元投影照射次數較僅使用變形束可少1 ~ 2個數量級(Order)，或更少，速度大為提升。單元投影成像包含變形束之使用，此點要特別注意。單元投影雖需較大聚焦面積，如5微米? 5微米，但優點甚多，應為未來主流。

E. 微影
電子束微影常用電壓20 ~ 50 kV, 電流100~1000 pA, 劑量1 ~ 100 μC/cm2。劑量由電子束停留阻劑時間決定。解像度目前約在0.1 ~ 0.2微米。缺點為目前產率仍較光學照射為低，較適合製備原型圖罩；有鄰近效應(Proximity Effect)；有電荷效應(Charging Effect)；投影式縮小步進機用之圖規製作麻煩等。

未來電子束單元投影將發展為快速投影，可與光學微影競爭。重點方向及目標如下：

1. 單元圖規增至20片以上，且可自動替換。

2. 可對連續移動之平台(Stage)投影，即所謂之飛行直寫(Write-on-the-Fly)技術。

3. 電子束鄰近效應修正以硬體方式達成，而非以目前之軟體修正照射劑量方式達成。

4. 量產之產率目標為每小時八吋晶圓10片（視圖案複雜性）以上。

補充：A：安培(Ampere)，C：庫倫(Coulomb)，pA：皮安培(Pico Ampere)，μC：微庫倫(Micro Coulomb)，s：秒(Second)，V：伏特(Volt)，W：瓦特(Watt)，J：焦耳(Joule)。

1電子帶電荷1.602 ? 10 -19 C = 1.602 ? 10 -19A s

如施予1V之電壓，則1電子之能量（1電子伏特，1 eV）為

1 eV = 1.602 ? 10 -19 V A s = 1.602 ? 10 -19W S = 1.602 ? 10 -19 J

此表示在1伏特電壓(V)下，1庫倫電量(C)，等於1焦耳能量(J)。

　　亦可由 C = A s，C V = V A s = W s = J 關係式推導

故在1 kV時，1 μC/cm2= 1 x 103? 1 ? 10-6 J/cm2 = 0.001 J/cm2= 1 mJ/cm2

同法，在25 kV時，1 μC/cm2= 25 mJ/cm2

在35 kV時，1 μC/cm2= 35 mJ/cm2

在45 kV時，1 μC/cm2= 45 mJ/cm2

換算通式：電子電壓(Y) kV時，1 μC/cm2= (Y) mJ/cm2，供本章讀者參考。

6-2-6-2 低能電子束微影
於電子束微影中，如果使用較低能量電子束照射，電子絕大多數僅和阻劑層作用，只有少數會打入基材，可減少背向散射電子、二次電子的數量與能量，減少鄰近效應，克服阻劑層圖案失真，並且減少電子對基材的傷害。一般電子束微影，電子束電壓為10 ~ 100千伏(kV)，即能量為10 ~ 100千電子伏特(keV)，不適合低能電子束微影用。而掃描電子顯微鏡(SEM)，電子電壓較低，0.1 ~ 10千伏，如搭配控制軟體，可作為低能電子束微影用。掃描探針微影(Scanning Probe Lithography)是使用探針於基材或阻劑表面，作近接式或接觸式作用。而低能電子束微影，則把電子打入基材或阻劑，無探針使用，兩者明顯不同。以單層或多層L-B膜(Langmuir-Blodgett Film)為阻劑，應用於低能電子束微影，可達到奈米級解像度。

6-2-6-3 限角度散射投影式電子束微影(Scattering with Angular Limitation Projection Electron Beam Lithography, SCALPEL)
此法使用散射式圖罩(Scattering Mask)，以掃描機進行縮小投影式微影。圖罩參看章節5-3-5。電子束經圖罩上鼓膜時，大部份電子直射而出，僅少部份電子以甚小之散射角散射而出。經圖罩上散射材(Scatterer)時，絕大部份電子以甚大之散射角散射而出，僅極少部份電子直射及以小角度散射而出。電子束再受電磁透鏡之偏折、聚焦作用，直射及以小角度散射電子可通過後聚焦面(Back Focal Plane, BFP)濾片(Filter)或光瞳(Aperture)到達晶圓。大角度散射電子則受濾片阻擋。散射材構成之圖案處，僅有少數電子到達晶圓某特定位置，劑量極低，如同未照射之暗區。鼓膜無散射材處，則有大量電子到達晶圓，劑量極高，如同照射之明區。因僅小角度散射電子可通過濾片，故名限角度散射。如圖6-2-10。

SCALPEL優點為可縮小投影（目前約4 ~ 5倍）、解像度高、聚焦深度長、圖罩製備較圖規易、製程寬容度大、產率高。SCALPEL具與光學微影競爭之潛力，前景甚佳，可能為下一代（後光學微影）之主力機種。

  
　

6-2-7 混同微影(Hybrid Lithography)
高、低解像度微影互相搭配。本法宜克服先後微影時之對準問題，即混與對(Mix and Match)問題。如圖6-2-11。

6-2-8 掃描探針微影(Scanning Probe Lithography, SPL)
此法是利用掃描穿隧電子顯微鏡、原子力顯微鏡等之探針產生之電場或電子束，在基材上直接激發或誘發選擇性化學作用，如蝕刻或沉積作用[5-2-7] [5-2-8]。參看圖6-2-12。

　　

掃描探針顯微鏡，如掃描穿隧顯微鏡(STM)及原子力顯微鏡(AFM)等，除了可作為表面的分析儀器之外，亦可利用其與樣品表面的交互作用，在表面上製造奈米級結構與圖案。

目前SPL應用發展方向有：

1. 直接地操縱表面個別的原子，把原子自表面萃取(Extraction)而出，讓原子在表面移位(Displacement)。

2. 把自表面萃取之原子或其它外來之原子再沈積在表面。

3. 在覆蓋了阻劑的樣品表面產生圖案，目前使用的阻劑包括由氫所鈍化之非晶矽(H-Passivated Amorphous Si, a-Si:H)、傳統之電子束阻劑、自我聚集單層(Self-assembly Monolayer, SAM)、藍穆爾-柏拉蓋(Langmuir-Blodgett, L-B)薄膜、旋佈玻璃(Spin-on-Glass, SOG)等。

　

探針與表面發生交互作用的範圍寬度、深度皆為奈米級，因此須使用薄阻劑，後續製程（如活性離子蝕刻，離子植入等）保護能力或穩定性不佳。將覆有阻劑之基材與掃描探針一起浸在顯影液中，僅與探針作用區域之阻劑才會溶解，如此便可使用較厚阻劑。浸於溶液中的掃描探針儀稱之掃描電化學顯微鏡 (Scanning Electrochemical Microscope, SECM)。

SPL可達到奈米甚至原子級解像度之能力，且無傳統電子束微影鄰近效應之困擾，近年來受到了廣泛的注意。未來希望能利用陣列式探針(array of tips)或平行式的多台掃描探針顯微儀組合來提高產率。

SPL反應機制方面，目前已知在樣品表面，利用探針轉移原子的主要機制是由於場蒸發(field evaporation)；而探針在空氣中與阻劑之作用則與相對濕度有關，證明為電化學反應。但對其它的反應機制，如在高真空環境中及電壓反向時仍有作用發生，目前仍無法解釋。

6-2-9 聚焦離子束(Focused Ion Beam, FIB)微影
聚焦離子束用途廣泛，常以鎵(Ga+)離子修補傳統及相移圖罩。亦可使用通道式圖罩、鏤空式圖規進行微影。常用離子有H+, He+, B+, As+, Be+, Be++, B+, Si+, Si++, Au+, Ga+, Nb++等。離子能量依用途，從eV至keV。目前以較重之鎵離子(Ga+)為主流。

FIB較新之發展為場發射掃描電子顯微鏡 (FE-SEM) 與FIB連用，使SEM觀察方便。又可注射含金屬、介電質之氣體入FIB樣品室，聚焦離子（鎵）分解吸附在晶圓表面氣體，可達成如金屬沈積、強化金屬蝕刻(Enhanced Metal Etching)、介電質沈積、強化介電質蝕刻等作用。FIB直接植入特定離子於特定區域之直植技術，如發展成熟，將可使半導體製程大為簡化，前途未可限量。圖6-2-13顯示聚焦離子束 (FIB) 經圖規以鄰近法微影。

6-2-10 離子束投影式微影(Ion Projection Lithography, IPL)
本法主要使用~150 keV 之H+、H2+、H3+、He+離子，以鏤空式圖規，縮小投影（4 ~ 5倍）。離子產生方式主要有射頻驅動(RF-Driven)與燈絲放電(Filament Discharge)二種。射頻驅動產生之離子壽命較長；燈絲放電產生之離子能量分佈較均勻。目前解像度約在80奈米。[5-2-10]。

本法主要優、缺點如下：

1. 無光學之繞射，背向散射甚少，故背向散射導致之鄰近效應亦甚小。但有因離子碰撞圖規造成散射，所導致之鄰近效應，需用較厚之圖規，規範離子進行方向，以減少散射離子。

2. 聚焦深度甚長，大於10微米。

3. 單次照射面積大(~25毫米? 37毫米)，故產率高，目前可達每小時八吋晶圓60片以上（視圖案複雜性）。

4. 有因隨機空間電荷(Stochastic Space Charge)引起之電荷效應，破壞解像度。

5. 較厚之圖規散熱差，易受熱變形，必要時圖規上需加冷卻裝置。

6. 可控制離子對阻劑之滲透深度，製備三維圖案，供微機電製程之用。

6-2-11 雷射描圖機(Laser Plotter)
雷射描圖機常以波長為442奈米之氦-鎘(He-Cd)雷射，或363.8奈米之氬(Ar)雷射，對晶圓直寫（描圖），不需圖罩。如圖6-2-14。圖中氦-氖雷射（紅光波長為632.8奈米）用於測距與聚焦。雷射描圖機亦常以直寫方式，製備圖罩上圖案。

6-2-12 其他微影方式
微影技術常見方法如深紫外光、電子束、X-光微影等，已廣為業界所知。近年來，文獻已陸續發表多種新技術，可應用於微影製程。限於篇幅，無法一一在此介紹。茲擇其中較重要者簡介如下。

　　

6-2-12-1 干涉微影(Interferometry Lithography)
此法主要可分下列三法[F]。

1. 傳統干涉微影(Conventional Interferometric Lithography, CIL)

傳統干涉微影原理為利用左右對稱之光束線互相干涉時，產生週期性之明暗條紋，照射於晶圓上阻劑，可製備大面積，週期性細線圖案。本法不需圖罩，但不易製備非週期性圖案。理論最大解像度約為光源波長之四分之一，如365奈米I-線可達90奈米解像度；193奈米ArF可達50奈米解像度。且理論聚焦深度為無限長。

光通過空間濾波器(Spatial Filter)時，可產生球形波或平面波。如果空間濾波器的針孔直徑等於或小於透鏡的光點繞射極限尺寸，就可形成球形波。若再加上另外的透鏡，置於空間濾波器的焦距上，就可產生平面波。以球形波光束線照射產生圖案，製程上較容易，但對週期性光柵式圖案的垂直性不利。平面波解像度較佳。原理與解像度如圖6-2-15。

2. 消色差干涉微影(Achromatic Interferometric Lithography, AIL)

因為傳統干涉微影受限於光源空間和時間同調性，所能產生的大面積最小週期線幅約為100奈米。為了改善此問題，研發了消色差干涉微影，改善空間影像光強度分佈之對比度，可製作<100奈米以下週期性圖案。

　　

3. 影像干涉微影 (Imaging Interferometric Lithography, IIL)

主要原理為將通過圖罩光束之空間頻率(Spatial Frequency)降低，使透鏡系統可收集(Collect)，再升高為原來之空間頻率，照射於晶圓上阻劑。傳統光學微影，受限於透鏡品質，無法收集較高之空間頻率，使影像失真。此法需要圖罩，解像度佳，理論上可製備任意圖案，但須照射三次，以收集全部之空間頻率。IIL為干涉微影最新之發展。

6-2-12-2 污染微影(Contamination Lithography)
污染微影是由Ringger和他的同僚意外發現。掃描穿隧顯微鏡(STM)之油擴散泵(Diffusion Pump)使真空室內達到10-8托(Torr)氣壓，當有薄的油分子層沈澱到樣品表面，薄膜和STM尖針放出的電子作用，可畫出一條會導電的碳線。後人利用此現象，在含有少量真空泵油蒸氣的環境下，以介穩態(Metastable State)氬(Ar)原子或低能電子為照射源，在基材表面形成含碳阻劑，經過化學蝕刻轉移圖案。擴散泵油的主要成份是trimethyl pentaphenyl trisiloxane,與介穩態氬原子作用，可得100奈米線寬以下圖案[6-2-12]。

6-2-12-3 雷射燒除(Laser Ablation)
雷射燒除微影技術是一種乾的圖形轉移製程，有別於傳統微影技術，需要使用濕的化學藥品。此技術使用功率強的準分子雷射，經圖罩，直接在阻劑上製出圖案，可省去顯影、蝕刻和硬烤的製程步驟，微影製程大為簡化，而且不需大量處理化學藥品。不過由於一般圖罩無法承受高功率雷射照射時，因熱所產生的變形及應力問題，所以須用高密度熔融氧化矽(Fused Silica)作為圖罩的空白片。

雷射照射能量必須大於阻劑的化學鍵斷裂臨界值，才能將固態的高分子阻劑材質轉換成斷裂後的氣體分子。金屬的臨界值通常較阻劑高，常當作雷射燒除的終止層。另外雷射燒除法也可應用在圖罩直寫及乾蝕刻。

6-2-12-4 雷射聚焦中性原子束(Laser Focused Neutral Atom Beam)
以雷射聚焦之中性原子束直接在阻劑表面製出圖案，或以介穩態氦原子對自我聚集單層阻劑(Self-Assembling Monolayer, SAM)作用[6-2-13]。

6-2-12-5 立體微影(Stero Lithography)
目前已發展較成熟的微影技術大多只能製作2維平面的圖案，而製作不同圖形的3維(3D)立體結構，就需要利用立體微影技術。立體微影技術可有數種選擇，此處介紹較簡易之下列二法[5-2-14] [5-2-15]。

1. 紫外光雷射誘發聚合法

是一個簡單又實用的方法，可製造高深寬比的三度空間立體微細結構。其裝置以He-Cd雷射為照射源，利用XYZ控制台控制光源照射的位置，當液態高分子經由He-Cd雷射之照射，會產生固化的高分子，形成3維的立體微細結構。液態高分子的黏滯度和固化均勻性，雷射光束位置的準確性，強度分佈、形狀、繞射問題，聚合物對雷射光束的吸收度等，是影響此法成敗的關鍵。

2. 移動式電鍍沈積法

將針尖式電極和基材置於電解液當中，並在針尖式電極和基材之間提供電位差，移動針尖式電極控制沈積的位置，以形成不同幾何圖形的立體結構，如管柱、螺旋、曲環等。電極的尺寸大小與空間解像度、立體結構的幾何圖形有密切關係。

6-2-12-6 掃描電化學顯微鏡(Scanning Electrochemical Microscope, SECM)
掃描電化學顯微鏡，是把樣品基材和微探針電極，置於含電解質溶液的電解槽中，當探針電極慢慢靠近基材表面時，發生電化學反應而產生法拉第電流(Faradic Current)。探針電極可作三維掃描，同時把法拉第電流轉化，而得知基材表面形貌，並可推導相關電化學反應。這些電化學反應主要發生於探針電極和樣品基材。

掃描電化學顯微鏡已成功應用於觀察基材表面形貌，及對數種基材(Si、Cu等)進行沉積、蝕刻等作用。亦可直接於基材掃描、蝕刻圖案，無需圖罩，比傳統光學微影簡便。若縮小電極探針，可達奈米級微影解像度。

6-2-12-7 掃描探針誘發陽極氧化(Scanning Probe Induced Anodization, SPIA)
當掃描探針顯微鏡置於含有溼氣的工作環境中，探針和樣品基材表面均會吸附上薄薄的水層，當探針靠近基材表面至適當距離時，兩者之表面水層會因毛細現象形成水柱而連接探針和基材表面。此時若施加正電壓於樣品基材，探針作用如同陰極，誘發基材陽極產生氧化作用，此謂之掃描探針誘發陽極氧化[5-2-16]。

應用於奈米微影製程有：1. 掃描探針誘發陽極氧化藉電化學作用，可於矽基材表面進行改質，增加蝕刻液的蝕刻選擇性，沉積金屬薄膜，達成圖案轉移。2. 自我聚集單層(SAM)阻劑，經掃描探針誘發陽極氧化作用，再經蝕刻、沉積金(Au)線條，解像度可達20奈米。

6-2-12-8 壓模微影法(Molding Lithography)
以已有圖案之微型圖模(Mold)，直接在阻劑表層壓出對應之圖案，移去模板，再以活性離子蝕刻，解像度可達奈米級[5-2-17]。

6-3 微影圖罩與圖規
6-3-1 傳統圖罩

6-3-2 攜合圖罩(原位圖罩)

6-3-3 相移圖罩

6-3-4 X-光微影圖罩

6-3-5 電子束微影鏤空式圖規(Open-Stencil)與散射式圖罩(Scattering Mask)

6-3-6 離子束微影圖罩與圖規


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6-3-1 傳統圖罩
常用傳統圖罩(Mask)大致可分類為三種形式：

1. 乳膠圖罩(Emulsion Mask)

在玻璃片（436奈米G-線、365奈米I-線用）或石英片（248、193奈米深紫外光用）上塗佈一層光敏乳膠，經由紅膠紙照射、顯影後，再經硬烤，以固化乳膠形狀，使紅膠紙上之設計圖案轉移至乳膠。如圖6-3-1(a)所示。

2. 硬面鉻膜圖罩(Hard-Surface Cr Mask)

玻璃或石英片上濺鍍一層厚約60 ~ 100奈米鉻(Chromium, Cr)膜（鉻音各），其上旋轉塗佈一層光學微影或電子束微影用阻劑。阻劑圖案可以紅膠紙照射、雷射光直寫、電子束直寫等方式產生。經阻劑顯影、鉻膜蝕刻及阻劑清除後可得此式圖罩。如圖6-3-1(b)所示。常用電子束微影阻劑如poly(butene-1 sulfone) (PBS)可以甲基乙基酮(methylethylketone, MEK)顯影，但其抗電漿蝕刻性甚差，因此，鉻膜蝕刻通常以溼蝕刻完成。鉻膜蝕刻液常用ceric Ammonium nitrate (Ce(NH4)2．(NO3)6)與氧化劑之混合物。常用之氧化劑有醋酸、硝酸、過氯酸(perchloric acid)、過氧化氫(雙氧水)等。

3. 抗反射鉻膜圖罩(Antireflective Cr Mask)

以光學照射定義圖罩上阻劑圖案時，為降低圖罩上鉻膜反射率，提高圖罩上阻劑解像度，可在鉻膜上增加一層氧化層為抗反射層，常用者為厚約20奈米之氧化鉻(Cr2O3)。如圖6-3-1(c)，此種圖罩亦可增加晶圓上阻劑解像度。

圖罩上鉻膜以等向性(isotropic)化學溼蝕刻時，會產生底切(undercut)，影響鉻膜線幅準確度與均一性。近來，已有不少文獻報導以低氣體工作壓力，高電漿密度，可單獨控制離子能量及負偏壓之電漿，如感應耦合電漿(Inductively Coupled Plasma, ICP)蝕刻鉻膜圖罩，可得異向性(anisotropic)垂直側壁輪廓，可改善化學性溼蝕刻之缺點。圖罩有圖案面以透明膠膜(Pellicle)保護。

6-3-2 攜合圖罩(原位圖罩)
通常圖罩與晶圓各自獨立，為二件分開之物體。如合二為一，即為攜合圖罩(portable conformable mask, PCM)，或稱原位圖罩(in-situ mask)。如圖6-3-2。攜合圖罩在電漿蝕刻、製備垂直側壁輪廓等製程上可表現優異性質。狹義而言，攜合圖罩是指阻劑。廣義而言，阻劑矽化製程（如負型圖案之DESIRE、正型圖案之PRIME）之表層矽；電漿蝕刻時作為蝕刻保護層之氮化矽、金屬鋁等皆屬之。

6-3-3 相移圖罩
相移圖罩(phase-shifting mask, PSM)是民71年(西元1982年)當時在美國IBM服務之雷文生(M. D. Levenson)等人提出 [5-3-1]，惜過去因對線幅之要求不高，未受重視。隨著細線化要求日益殷切，相移圖罩可使用原有機台、且不改變製程，而達到改進解像度與增加聚焦深度的目的。相移圖罩除可適用於I-線微影、深紫外光微影外，亦適用於極短紫外光微影，甚至可適用於X-光微影。因此，相移圖罩在現在及未來之重要性，理應受到重視。近年來，相移圖罩已成國際半導體界熱門研究題目，形同顯學。展望未來3~5年內微影製程之改進，以偏軸發光(OAI)之照射掃描機，搭配弱型相移圖罩，如減光型相移圖罩，再搭配化學放大型阻劑(CAR)與矽化之表層成像(TSI)特殊製程為各界所看好。

6-3-3-1 相移圖罩原理
相移圖罩的原理，主要利用照射光束透過圖罩之相移層後，與未經相移層光束比較，兩光束之電場振幅向量間產生一p之相對相位差，形成破壞性干涉，使電場振幅和向量E歸為0。因歸一化後，光強度I = E2，故I = 0。I = 0可使二相鄰空間影像解開(Resolved)，達到改進解像度與增加聚焦深度的目的。以雷文生(Levenson)型，或稱間隔(Alternate)型為例，說明相移圖罩改進解像度原理，如圖5-3-3所示。相移圖罩原理之數學理論牽涉傅利葉轉換(Fourier transform)，甚為複雜，因篇幅所限，無法在此詳述。欲深入瞭解者，可參看雷文生等人著之原始文獻[5-3-1]。

相移層需要厚度d 由下式求出：

　　　　　(m = 1, 3, 5, ........)

m為奇數之整數；l照射波長；q相移層產生之相移角度；n相移層折射率。

相移層一般條件為 m =1, q = p (180° )，此時，上式簡化為 d = 。

其他q ，如60°、90°、120°等亦見使用報導，可供0°與180°兩相移界面間緩衝之用。

6-3-3-2 相移圖罩分類與特性
相移圖罩可分為六型，如圖6-3-3、圖6-3-4所示。相移圖罩按其改進解像度之效果，有所謂強型與弱型之分。概述此六型特性如下：

1. 雷文生(Levenson)型，或稱間隔(Alternate)型

雷文生型（強型），因相移層非連續，對線條呈間隔排列，故又稱間隔型。對解像度及製程寬容度改善效果甚大，但在製作上較為困難，且較適用於成對之圖案，不適用於某些邊角圖案，孤立圖案。

2. 唯相移層(Shifter Only)型，或稱無鉻膜(Chromeless)型、透明(Transparent)型、相移層邊端(Shifter Edge)型

唯相移層型（強型）無減光之鉻膜，僅有相移層。圖罩上唯相移層線幅寬度約在1.5 ~ 0.5 l /NA時，產生倍頻(Double Frequency)現象，可倍增圖罩線條數於晶圓[5-3-2]。適用細線化製程，製備光柵等。如圖6-3-5。

3. 緣邊(Rim)型

緣邊型（強型）較適用於接觸窗(contact hole)。可分為基材式與懸臂式。實際應用多為基材式，即以石英為圖罩基材，利用蝕刻後與未蝕刻處石英之厚度差造成180°相移，作為相移層。此式又稱蝕刻石英式，如圖6-3-6(a)。懸臂式易損壞，已逐漸淘汰，如圖6-3-6(b)。實際製備完成基材式緣邊型如圖6-3-6(c)。

4. 輔助縫(Assist Slot)型，或稱外架(Outrigger)型、次解析(Subresolution) 輔助縫型（弱型）之輔助縫甚細，製備困難，不易實用化，重要性已逐漸降低。

5. 減光 (Attenuate) 型，早期稱半透 (Halftone) 型

減光型（弱型）之概念似為民81年(西元1992年)當時在IBM服務之林本堅最先提出[5-3-4]。可分為下列三式：

a. 旋佈玻璃 (Spin-On-Glass, SOG)式（如圖6-3-7所示）

早期發展者。以甚薄之鉻膜為減光用之吸收材(Absorber)，SOG為相移層(Shifter)。此式較傳統鉻膜圖罩之厚度高甚多，光散射強，功能不佳。因嵌附式研發之進展，此式已逐漸不受重視。

b. 蝕刻石英 (Etched Quartz) 式

以甚薄之鉻膜為減光用之吸收材，蝕刻石英產生之厚度差(Tq)為相移層。有旋佈玻璃式類似缺點，亦已逐漸不受重視。
   

c. 嵌附 (Embedded) 式（嵌：音千）

此式發展初期為單層。單層之嵌附式減光型相移圖罩(Embedded Attenuated PSM, EAPSM)，僅以單層之嵌附層，可兼有吸收材與相移層之作用，即可達到製程上所需之透射率(T%)及相移角度。故嵌附層(Embedded Layer)亦稱吸收相移層(Absorptive Shifter)。EAPSM雖然對解像度及製程寬容度改善不如強型顯著，但具下列優點：

(1) 製備較易，缺陷的檢查及修補亦較易。

(2) 可用傳統鉻膜圖罩之製備、檢查、修補相同技術。

(3) 嵌附層甚薄，整個圖罩之厚度與傳統鉻膜圖罩相似，光散射較少，性能較佳。

(4) 圖形所需偏差(bias)較小，電腦數據需求亦少。

(5) 耐用性高。

(6) 可適用於任何圖案。

故嵌附式減光型相移圖罩較受半導體電子業界歡迎，最具實用價值。大量應用以此式前景最為看好。

嵌附層適當之透射率介於2~15%。透射率過高，嵌附層產生之側葉(side lobe)光強度將太強，會衍生多餘之圖案，圖罩上需加輔助孔或線，消除此多餘之圖案，製程複雜；透射率過低，相移破壞性干涉現象亦低，無法改善解像度。

優良之嵌附層應滿足照射波長透射率(T=2 ~ 15%)、圖罩對準光（通常為可見光）波長透射率(通常T% < 40)、耐酸鹼性、導電性、蝕刻性、穩定性、耐用性等。因某些材質之單層嵌附層無法兼顧上述性質，近年來，國際上又已發展雙、參層結構嵌附式。其目的在兼顧上述性質，但較複雜。

學理上，相擾度<0.5時，相移圖罩之干涉性較強，較有改善效果。但根據交通大學應用化學研究所葉青樺、林雍秩之經驗，相擾度0.6時，減光型對密集線/隙之製程寬容度仍有相當之改善效果。

6. 減光-緣邊(Attenuate-Rim)型

減光-緣邊型（強弱混合型），或稱半透-緣邊(Halftone-Rim)型，為交通大學應用化學研究所郭貴琦、周岳霖首創。此型結合了減光（半透）型與緣邊型之優點，減光區可干涉消除離中央極大較遠之2, 3級以上繞射。缺點為製備較困難，不易實用化[5-3-5]。參看圖6-3-4。

6-3-3-3 嵌附層（吸收相移層）材質
根據文獻，有潛力之嵌附層材質依波長約可分為下列數種：

1. 365奈米I-線與248奈米KrF

以石英(Quartz)為透光之基材。嵌附層材質如下：

(1) 氫化非晶系碳薄膜類(Hydrogenated Amorphous-Carbon Film, a-C:H)。

(2) 氮化矽、氮碳化矽類 (Silicon Nitride-based, Si-N and SiC-N)。

(3) 氧化矽鉬、氮氧化矽鉬類 (Molybdenum Silicide-based, MoSiO, MoSiON)

(4) 氧化鉻、氮氧化鉻、氮氧化碳鉻類 (Chromium-based, CrO, CrON and CrCON)。

(5) 鎢矽合金類 (Tungsten Silicide-based, W/Si)。交通大學應用化學研究所張雅惠研發。

(6) 氮化鈦、矽化鈦類 (TiNx, TiSix, x ~ 2)。交通大學應用化學研究所陳子清、陳志葦首先研發[5-3-6]。

2. 193奈米ArF

以CaF2、MgF2、fused silica (SiO2)等為透光之基材。a-C:H、WO3、Y2O3、CrF、CrAlO、多矽氮化矽(Silicon Rich Nitride, SiRN)等為嵌附層[5-3-7]。

3. X-光

以SiC、SiRN為鼓膜。PMMA為嵌附層。PMMA完成180°相移，解像度可達0.1微米[5-3-7]。

嵌附層材質之篩選，目前以美國杜邦公司最積極。以材質之吸收係數(k)為Y軸，折射率(n)為X軸作X-Y圖，界定透射率(T%)之上下限與反射率(R%)之上下限，再界定合於吸收相移層要求之n, k值，此R%, T% 上下限可在n, k平面圍成四邊形。此四邊形有助於篩選。嵌附層材質因要合於多項性質之要求，尚未臻於完美，有待繼續改進與尋找。

6-3-4 X-光微影圖罩
X-光微影技術中，優良x-光圖罩之製備為最艱難部分。x-光具有高能量，會加熱圖罩，造成圖罩上熱應力、熱膨脹等問題。x-光圖罩的製作、缺陷偵測、修補、多次照射對準亦皆相當困難。X-光圖罩主要可分透射式(transmission)與反射式(reflection)兩種。另外，尚有較少見之特殊式圖罩。

6-3-4-1 透射式X-光圖罩
透射式X-光圖罩結構一般分下列四部份：方便安裝於圖罩夾具之玻璃環(pyrex ring)、支撐鼓膜之矽基材緣邊(Si substrate rim)、透過X-光並支撐吸收材之鼓膜(membrane)、遮住X-光之吸收材(absorber)。鼓膜與矽基材緣邊常合稱為支台(Mesa)。如圖6-3-8所示。

1. 透射式x-光圖罩品質基本要求

品質優良，可在生產線上使用之透射式X-光圖罩基本要求如下：

a. 鼓膜要透過x-光，吸收要小。

b. 吸收材要吸收、遮住x-光，吸收要大。

c. 鼓膜要有高張力，以維持平整。

d. 鼓膜熱傳導係數要大，熱膨脹係數要小，以維持圖罩上圖案尺寸穩定。

e. 圖罩上所產生的光電子不能和晶圓有交互作用。

f. 圖罩抗x-光的輻射傷害性質強。

　　
          g. 鼓膜材料對可見光透射率要高，如此光學對準才容易達成。

  
h. 鼓膜機械強度要大，即楊氏係數要高，以支撐吸收材。

i. 圖罩上的缺陷少，易修補。

j. 圖罩具有長時間的穩定性，堅固耐用。
　

2. 透射式x-光圖罩材料

a. 鼓膜

由於x-光具有高能量，會加熱圖罩。因此，良好的鼓膜材料必須有良好的導熱能力，才能把熱積聚減到最少；需要有低熱膨脹係數，才能防止圖案失真。另外，需要有高機械強度及彈性，才能經久耐用；也需要足夠之可見光透射率，才方便以可見光照射對準。鈹(Be)、硼(B)、氮化硼(BN)皆無可見光透射率，因此不適合做鼓膜，只能使用於一般X-光的光學窗。多矽氮化矽、碳化矽(SiC)為目前較佳之鼓膜材料，但尚需克服成膜時的應力、均勻性和平坦度。鑽石膜(C)則可能為未來最佳之鼓膜材料。鼓膜厚度一般約2.0 ~ 2.5微米。根據交通大學應用化學研究所杜林炘之經驗，氮化矽(Si3N4)應力甚大，不適合作鼓膜；多矽氮化矽可調Si/N之比值，可降低應力。

b. 吸收材

常用吸收材有金(Au)、鎢(W)、鉭(Ta)（鉭音坦）、鎢鉭合金(W-Ta Alloy)等貴重金屬。吸收材的厚度約0.5 ~ 0.7微米，以使鼓膜對吸收材之X-光透射比例大於10:1。吸收材的要求除了要有小的熱膨脹係數，主要要求在於能否成長低應力之吸收材於鼓膜上，及受熱後與鼓膜熱膨脹是否能匹配。如吸收材先植入氮離子，再加以真空回火，可降低其應力。

根據報導，目前最佳之吸收材／鼓膜組合為鎢鉭合金/碳化矽，應力 < 5 MPa（百萬巴，Megapascal）。

3. 透射式X-光圖罩製作

圖罩製作通常有兩法，移除法(subtractive method)與添加法(additive method)，簡述如下：

a. 移除法：

本法為先在鼓膜上鍍吸收材，吸收材上旋塗阻劑。以電子束微影對阻劑定義圖案(patterning)，再以濕蝕刻或電漿乾蝕刻，移除吸收材不需要部份，將阻劑圖案轉移(Pattern Transfer)至吸收材。如阻劑抗蝕刻性不佳，阻劑之下尚需加一層抗蝕刻之硬罩(Hard Mask)，或稱攜合圖罩(原位圖罩)。吸收材通常使用容易異向性蝕刻者，如鎢、鉭、鎢鉭合金。本法基本原理相同，但變化甚多，尚無統一流程。如以鎢為吸收材，常在鼓膜上濺鍍鉻-鎢-鉻(Cr-W-Cr)三層結構，上層鉻作為SF6、NF3等電漿對鎢蝕刻時之硬罩。較新製程使用氮化鉻(CrN)為蝕刻硬罩，應力<10 MPa。參看圖5-3-8。下層鉻為蝕刻鎢時之蝕刻停止層(stop layer)，防止鎢層下之鼓膜受到不應有之蝕刻。下層鉻尚另有功能。下層鉻與鼓膜附著良好，鉻與鎢可形成合金，故可增加鎢之附著性。此種三層結構是利用了兩不同材質對同一電漿蝕刻氣體能呈現大之蝕刻選擇比(selective ratio)。最後，對上層鉻製出圖案之阻劑可以溶液清除，鉻可用Cl2-O2混合氣體等電漿蝕刻清除。整個圖罩最後常加上有機保護層，防止X-光照射時之二次電子之干擾。

b. 添加法：

本法為先在阻劑上製作圖案，再添加吸收材之金屬於圖案凹入部份，最後清除阻劑，完成金屬圖案。添加法一般又可分下列兩法：

(1) 溶液電鍍法：吸收材之金屬一般用金(Au)，因金不易蝕刻，但易電鍍。參看圖6-3-9。溶液電鍍金時，晶粒結構、殘餘應力等不易控制，且缺陷較多。吸收材用金時，要先有一層金為電鍍基材(plating Base)，又因金與常用鼓膜材料附著性不佳，金電鍍底材之下尚需一層附著層(adhesive layer)，或稱附著促進層(adhesion promoting layer)。附著層通常選用鉻膜，鉻與鼓膜附著良好，而金可與鉻形成合金，故可增加金之附著性。除金外，銀、鉑、銅、鎳、鋅、鉛等皆可電鍍。但鋁與高溫金屬(refractory metal)，如鎢、鉭等，不可電鍍。

(2) 浮離金屬法(lift-off metallization)：在真空中濺鍍金屬於有底切輪廓之阻劑凹入（隙）部份，鼓膜上需一層附著層，但不需電鍍基材，流程較簡化。

6-3-4-2 反射式X-光圖罩

反射式X-光圖罩根據X-光在多層膜上反射原理而製備，參看文獻[B]。多層膜利用兩種不同的材料交互沈積或蒸鍍於基材表面，形成一周期性的膜層構造。當波長l 的輻射入射至多層膜時，每個層與層之界面有很弱的反射，當多層膜的配置得宜，符合布拉格(Bragg)方程式條件時，可使所有界面的反射同相，藉由反射波的建設性干涉，可得相當高的反射率。布拉格方程式如下：

　

m l = 2 d u sin q

m : 反射級數

l: 輻射波長

d = dA + dB，dA、dB為兩不同材料層A, B之膜層厚度，d為層對(Layer Pair)厚度。

u : 折射率修正項

q: 入射角

多層膜的組合方式為多樣，包括對材料的選擇、層對數目及兩種材料之各層厚度比。在材料的選擇上，若選用高原子序的重元素如鉬(Mo)、鎢(W)、鈮(Nb)與較低原子序的輕元素如C、Si等相搭配，可在較寬的波段中得到較高之反射率。而兩折射率相近之兩輕元素相搭配，則可得到較窄的波段。基材用石英，吸收材用W，多層膜用Mo/Si，50 ~ 100層對，各膜層的厚度約10埃左右，對0.8奈米X-光之反射率可達60 ~ 70%。此種圖罩之優點為製備程序較透射式X-光圖罩簡易；易於利用聚焦離子束修補圖罩的缺陷。吸收材亦可用金，多層膜厚度亦可較厚，如3~4奈米，以供13奈米EUV微影之用。參看圖6-3-10。

6-3-4-3 特殊X-光圖罩
A. 切開晶圓、鍍上吸收材、再接合之X-光圖罩

X-光圖罩不易以電漿蝕刻達成線寬甚小、且又具高深寬比(aspect ratio)的吸收材。特殊式的圖罩，可避免上述之困難。在製作時先把晶塊（片）切開、磨平、並在側面鍍上吸收材，鍍上吸收材的厚度就相當於圖罩上吸收材的寬度。再把兩片接合，可輕易得到很高深寬比的吸收材。目前此式圖罩只能提供鄰近法微影最小線寬的測試，而無法製造一般電路。配合超近距之鄰近法或接觸法微影，最小線寬可達50奈米[5-3-8]。

B. 偏折板(zone plate)

美國麻省理工學院(MIT)之Henry I. Smith研發在偏折板下方以開關控制透過的X-光，並移動矽晶圓，達到聚焦與圖案轉移之目的，類似X-光直寫。如用數個偏折板在同一平面上，作為聚焦工具，可增加產能[5-3-9]。

C. 唯相移層相移圖罩(Shifter Only PSM)

如圖6-3-11所示，X-光用唯相移層相移圖罩，可改善製程寬容度，如增加鄰近照射時圖罩與晶圓之間距G (Gap)、增加聚焦深度等。

6-3-5 電子束微影鏤空式圖規(Open-Stencil)與散射式圖罩(Scattering Mask)
1. 鏤空式圖規

電子束微影如以定形束、變形束、單元投影方式進行照射時，電子束機台需用圖規以轉移設計之圖案至晶圓。電子束直寫不需圖規。圖規和圖罩的差別在於圖規的照射區為鏤空（鏤音漏），如圖6-3-12(a)所示。而圖罩的照射區則仍有一層可透光的玻璃、石英或鼓膜存在。傳統的圖規常利用重金屬如鉬、鎢等材料製做而成，但此類材料較不易得到良好圖案的圖規。單晶矽由於可利用已成熟矽製程技術製備良好的圖規圖案，目前已逐漸成為製作圖規之主要材料。

圖規主要缺點如下：

a. 無法製備封閉式圖案，如環形，因環中心無支撐。如使用搭配之二片圖規構成環形圖案，製程複雜，產率低。

b. 圖規無鏤空部份供阻擋電子穿越之用，因吸收電子能量，會受熱導致變形。

c. 受限於材料性質，製備圖案時，其深寬比(Aspect Ratio)有極限，即圖規之厚度受限。為防電子穿越無鏤空部份，電子電壓亦將受限，無法使用較高電壓，如100 kV，以降低鄰近效應。
　

2. 散射式圖罩

限角度散射投影式電子束微影(SCALPEL)，需用散射式圖罩，可改善使用圖規時之缺點。以高原子序，易散射電子之材料，如鎢(W)等為散射材(Scatterer)；以低原子序，散射電子甚少之材料，如氮化矽(SiNx)等為鼓膜，鼓膜之下為矽基材構成之格床(Grillage)，或稱支架網(Network of Struts)[5-3-7]。散射材在鼓膜上製出圖案，面向電子源。電子照射至散射材，散射電子甚多，且以大角度散射電子為主，向另一面射出；無散射材僅有鼓膜處散射電子甚少，且為小角度散射電子，大部份電子穿越鼓膜，直射而出。以鎢（~50奈米）/鉻（~10奈米）雙層（鉻在下，附著於鼓膜）為散射材可降低應力(小於25百萬巴)，並增加與鼓膜附著性，較鎢為佳。如圖6-3-12(b)、6-3-12(c)所示。

散射式圖罩主要優點如下：

a. 散射材（厚約25~60奈米）與鼓膜（厚約75 ~ 150奈米）因不需阻擋電子穿越，故皆極薄，以便於電子穿越，直射或散射而出。吸收電子能量一般小於1%，幾無受熱導致變形之困擾。矽格床亦可吸收與分散電子能量，如同排熱槽(Heat Sink)。

b. 微影電子束可使用較高電壓，如100 kV以上，以降低鄰近效應，增進晶圓之解像度。

c. 以高電壓電子束製備散射式圖罩時，因電子可穿越鼓膜材料，鼓膜自身之背向散射電子甚少，可不需鄰近效應修正；鼓膜下矽基材之背向散射電子能量低，散射橫向距離大（100 kV時，約30微米），遠大於散射材圖案線幅寬度，故因矽基材導致之電子束鄰近效應可謂不受線幅寬度影響，情況單純，修正較易。

散射式圖罩主要缺點為鼓膜極薄，荷重甚輕，故跨距僅能甚小，最大寬約1毫米(mm)，需矽基材構成網狀在下支撐，製程複雜，無法如X-光圖罩之鼓膜（厚約2000奈米以上，視材料而定），跨距可達6厘米(公分，cm)以上。

6-3-6 離子束微影圖罩與圖規
6-3-6-1 通道式圖罩(Channeling Mask)
以聚焦離子束(H+, He+)進行直寫時，不需圖罩。以離子束進行鄰近法與投影法微影時，需利用圖罩來遮擋不需離子束照射的部份。早期圖罩的鼓膜（基材）常用氮化硼(BN)、氧化鋁(Al2O3)，吸收材用金(Au)。但由於離子入射時會因圖罩鼓膜材質而產生嚴重的散射情形，使得解像度降低。近年已發展出所謂的通道式圖罩。藉由一層單晶矽薄膜作為鼓膜，使經調整成準直性良好之入射離子，通過單晶矽通道時，降低散射角度，通過後維持原來之準直性。單晶矽薄膜兼具支撐吸收材之鼓膜與作為離子通道之雙重作用。單晶矽主晶軸與離子束前進方向相同時，效果最佳。入射離子之能量亦應適當。通道式圖罩與鄰近法照射之X-光圖罩非常相似。一層厚0.5微米的單晶矽鼓膜可使散射角度降至0.3°以內。參看圖6-3-13。

6-3-6-2 鏤空式圖規(Open-Stencil)
以離子束進行鄰近法與投影法微影時，亦可使用鏤空式圖規，材質以單晶矽為主。

圖規朝向離子一面（另一面朝向晶圓）常加上離子吸收材，以減少離子之散射。較厚之圖規可規範碰撞離子在圖規內壁之前進方向，減少離子之散射，故可減少鄰近效應。但較厚之圖規易受熱變形，常需加冷卻環或其他冷卻裝置。實作之圖規如圖6-3-14。離子束與電子束圖規基本原理相同，僅規格不同。

　

章後語：

筆者是吃本省農民彎著腰插秧，跪著除草，汗如雨下，辛辛苦苦種出的稻米長大的。謹以至誠與謙卑的心，將本章獻給他們。

又謝謝交通大學應用化學研究所微影製程實驗室林仁章、吳玫真、張雅惠、陳志葦、蘇丁泰、陸震偉、杜林炘、林政旻、曾秀平、李明德、張克文、蘇炳聖、呂奎亮諸同學在本章撰寫、繪圖與校稿過程中的幫助。

[ 本帖最后由 ylynzy 于 2006-11-9 11:08 编辑 ]