ch6微影技术

6-1. 248與193奈米波長深紫外光微影之優缺點為何？

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]。

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。

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

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。

氟化氬(ArF) 193奈米準分子雷射深紫外光(Deep UV, DUV)微影

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。

第六章

3.說明電子束單位投影如何操作？

Ans： 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，。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。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。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。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，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。

6-4. X-光微影半陰影效應產生之原因為何？

非同步輻射X-光，或稱點光源，因其準直性不佳，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) δ，二為側向偏移(Lateral Shift, Run-Out) △(參看下圖)。如為同步輻射X-光，因其準直性良好，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。

6-5. 說明傳統干涉微影之原理。 A：

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。

6-6. 透射式X-光圖罩品質基本要求為何?

Ans : 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。

6-7.說明雷文生相移圖罩之原理。

答：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π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6-3-3所示。

6-8 相移圖罩相移層需要厚度d 如何求出？ 相移層厚度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。

6-9. 說明六型相移圖罩各自之特色。

相移圖罩可分為六型，如圖6-9-1、6-9-2所示。

圖6-9-1以雷文生型，或稱間隔

型為例，說明相移圖罩原理

圖6-9-2傳統圖罩與六型相移圖罩之電場振

幅、中央主光強度及側葉光強度示意圖

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

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。適用細線化製程，製備光柵等。如圖6-9-3。

圖6-9-3唯相移層型相移圖罩產生倍頻現象示意圖。(a)電場振幅強度E ;(b)光強度I

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。懸臂式易損壞，已逐漸淘汰。

4.輔助縫(Assist Slot)型，或稱外架(Outrigger)型

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，半透 (Halftone) 型 減光型（弱型）可分為下列三式： a. 旋佈玻璃 (Spin-On-Glass, SOG)式

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

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)。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。

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。減光-緣邊型（強弱混合型），或稱半透-緣邊(Halftone-Rim)型。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。

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