發展下一世代環保微影光罩結構材料

國 立 交 通 大 學

工學院半導體材料與製程設備學程

碩 士 論 文

發展下一世代環保微影光罩結構材料

Development of green material for mask of next generation lithography

研 究 生 : 吳 政 三

指導教授 : 柯富祥教授

發展下一世代環保微影光罩結構材料

Development of green material for mask

of next generation lithography

研 究 生：吳 政 三 Student：Cheng-San Wu 指 導 教 授：柯富祥教授 Advisor：Dr. Fu-Hsiang Ko 國 立 交 通 大 學 工學院半導體材料與製程設備學程 碩 士 論 文 A Thesis

Submitted to Degree Program of Semiconductor Material and Process Equipment College of Engineering

National Chiao Tung University in Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master of Science in

Semiconductor Material and Process Equipment

June 2012

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

發展下一世代環保微影光罩結構材料

研 究 生：吳 政 三 Student：Cheng-San Wu 指 導 教 授：柯富祥教授 Advisor：Dr. Fu-Hsiang Ko 國 立 交 通 大 學 工學院半導體材料與製程設備學程

中文摘要

本論文使用氮化矽來製作光罩，試圖以環境友善材料，取代污染較嚴 重之鉻、鉬等材料。我們利用化學氣相沈積方式，控制 SiH4及 NH3氣體 流量比例，以改變氮化矽組成成分，進而控制氮化矽的光學常數。經過模 擬計算，得知數組合適的光學常數與厚度。為了與市售光罩比較，實驗中 我們選定氣體流量比例50：5 來製作氮化矽，光學常數為（3.514, 0.803）， 厚度為 75.2nm，作為 i-line 衰減式相位移光罩之相位移層。在製作光罩的 同時，我們也利用 UV-VIS 測定光罩穿透率約為 6%，確保其擁有弱穿透 的性質。同時以 SEM、AFM 觀察薄膜形貌，測得知粗糙度約為 0.32nm， 遠遠優於市售二元式鉻膜光罩。並以 FITR、XPS 等儀器分析薄膜組成成 分，觀察薄膜化學鍵結變化，以確認此 Si-rich 氮化矽薄膜應為 SiN0.22， 同時驗證並確保薄膜成份穩定，不會因為批次或厚度不同而改變。最後以 i-line 曝光機曝光驗證，比較實驗製作之衰減式相位移光罩與二元式鉻膜 光罩的解析能力，結果顯示，本實驗製作之衰減式相位移光罩對密集洞的

解析能力有明顯改善，可以製作出 0.56μm 間距的密集洞，相較於二元式

鉻膜光罩的0.60μm 間距密集洞優異許多。綜合實驗結果，証明此材料可

英文摘要

Development of green material for mask of next generation lithography

Student：Cheng-San Wu Advisors：Dr. Fu-Hsiang Ko

Degree Program of Semiconductor Material and Process Equipment College of Engineering

National Chiao Tung University

ABSTRACT

In this thesis, the environment friendly materials, silicon nitride was used to replace general chromium film used for binary mask as well as to replace molydium silicide embedded material for attenuating phase-shifting mask (Att-PSM) in lithography. The optical properties of the nitride film was controlled well by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The film stack with suitable optical properties (3.514, 0.803) and thickness 75.2nm was deposited by PECVD under 50 sccm SiH4 with 5 sccm NH3 gas flow rate for i-line Att-PSM usage. The transmittance of the Att-PSM measured by ultraviolet-visible spectroscopy is about 6%. Topography and roughness were observed and determined by scanning electron microscope and atomic force microscope that is result in 0.32 nm. The infrared absorption spectra of the films were measured to chemical bond variation make sure film content stability by Fouier transform infrared spectroscopy. The atom concentration for silicon nitride obtained here is SiN0.22 using X-ray photoelectron

spectroscopy calculation. The capability of resolution was evaluated by i-line stepper exposure. The significant improvement was shown in 0.56µm dense hole patterns more better than the 0.6µm dense hole patterns exposed by binary mask. The powerful proof of a green material for mask of next generation lithography was demonstrated.

誌

謝

首先要感謝我的指導老師柯富祥教授的細心指導，讓我對研究的態度 與方法有更深一層的認知，同時也感謝口試委員趙天生教授及劉柏村教授 在百忙中抽空前來指導。 本論文得以完成得感謝我的同事洪朝欣先生、施錫龍先生及鄭旭君先 生的大力協助，使得各項實驗及結果得以更加完整及嚴謹，另外還要感謝 NDL 的其他同事在實驗及研究上的各項協助。 最後要感謝我的雙親、妻子及子女，感謝你們在精神上及生活上的支 持與鼓勵，使我能無後顧之憂，專心地完成學業及論文。

目

錄

中文摘要...i 英文摘要...iii 誌 謝 ...v 目 錄 ...vi 表目錄...viii 圖目錄...ix 第一章、緒論...1 第二章、理論...3 2.1 微影技術(Lithography)...3 2.1.1 光學微影...5 2.1.2 電子束微影...14

2.2 解析度增益技術(Resolution Enhancement Technologies, RET)...14

2.2.1 偏軸照射(Off-Axis Illumination, OAI)...16

2.2.2 光學近接效應修正(Optical Proximity Correction, OPC) ...17

2.2.3 抗反射層(Anti-Reflective Coating, ARC) ...19

2.2.4 相位移光罩(PSM) ...19 2.3 相位移光罩技術 ...20 2.3.1 相位移光罩原理...20 2.3.2 常見的相位移光罩種類...21 第三章、實驗...27 3.1 研究內容與方法 ...27 3.2 薄膜製備 ...29 3.2.1 衰減式相位移光罩相位移層材料的要求及材料選擇...29 3.2.2 相位移層薄膜沈積...30

3.2.3 導電金屬層薄膜沈積...31 3.3 薄膜物理特性與化學特性分析 ...32 3.3.1 光學常數與厚度量測...32 3.3.2 穿透率量測...33 3.3.3 薄膜結構觀察與厚度量測...33 3.3.4 表面粗糙度量測...34 3.3.5 化學鍵結分析...34 3.3.6 薄膜元素分析...35 3.4 光罩製作 ...35 3.4.1 光罩微影製程...35 3.4.2 光罩圖案蝕刻及光阻去除...37 3.5 晶圓曝光驗證 ...38 第四章、結果與討論...39 4.1 光學常數的調控-n&k 分析儀、紫外/可見光光譜儀與模擬 ...39 4.2 薄膜沈積速率 ...46 4.3 物理特性與化學特性分析 ...48 4.3.1 薄膜結構觀察-掃描式電子顯微鏡(SEM) ...49 4.3.2 表面粗糙度量測-原子力顯微鏡(AFM) ...52 4.3.3 薄膜鍵結分析-傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)...59 4.3.4 薄膜元素分析-X 光光電子能譜儀與歐傑電子能譜儀 ...64 4.4 光罩製作及效能驗證 ...71 第五章、結論...77 參考文獻...78

表目錄

表2.1 常見的相位移光罩類型及其應用... 22 表3.1 本實驗 PECVD 製程參數條件... 31 表3.2 光罩微影製程參數條件... 36 表3.3 光罩乾式蝕刻製程參數條件... 37 表3.4 晶圓曝光驗證製程參數條件... 38 表4.1 薄膜樣品在波長 365 nm 的光學常數... 42 表4.2 氮化矽薄膜內鍵結吸收帶... 60

圖目錄

圖2.1 積體電路生產流程... 3 圖2.2 奈米壓印微影技術示意圖... 5 圖2.3 光學微影技術的主要製程流程圖... 6 圖2.4 塗底過程 HMDS 與晶片表面反應之示意圖 ... 7 圖2.5 駐波效應造成光阻側壁形成鋸齒狀圖形... 12 圖2.6 傳統光罩與 OPC 光罩比較 ... 18 圖2.7 比較沒有做 OPC 以及添加不同大小的 OPC 圖案時，光罩的設計 及模擬曝光結果與實際曝光結果之比較［19］ ... 18 圖2.8 側向的反射光造成圖案發生凹陷缺口(notch) ... 19 圖2.9 傳統光罩與相位移光罩之比較 (a)傳統二元式光罩，(b)相位移光 罩... 21 圖 2.10 交替式相位移光罩製作之方法... 23 圖2.11 外架型相位移光罩的示意圖... 23

圖2.12 Chromeless Phase Lithography (CPL™)技術(Courtesy of ASML) ... 24

圖2.13 邊緣型相位移光罩的示意圖... 24 圖2.14 衰減式相位移光罩之種類... 25 圖2.15 傳統光罩(BIM)與衰減式相位移光罩(Att-PSM)之比較 ... 26 圖2.16 目前較常使用的衰減式相位移光罩之製作方法... 26 圖3.1 環保材料之相位移光罩製作流程... 28 圖3.2 n&k 分析儀量測原理示意圖... 32 圖3.5 光罩微影製程主要步驟... 36 圖4.1（a）氮化矽薄膜的折射率(n) ... 39 圖4.1（b） 氮化矽薄膜的消光係數(k) ... 40

圖4.2 在波長 365 nm 時薄膜的折射率(n)與消光係數(k) ... 41 圖4.3 在波長 365 nm 時穿透率對厚度變化關係... 43 圖4.4（a）在波長 365 nm 時，SiNx_∞厚度對穿透率及相位之關係 ... 44 圖4.4（b）在波長 365 nm 時，SiNx_10 厚度對穿透率及相位之關係 ... 45 圖4.4（c）在波長 365 nm 時，SiNx_5 厚度對穿透率及相位之關係 ... 45 圖4.5 SiNx_10 在矽晶圓與玻璃上之沈積速率... 46 圖4.6 不同沈積時間的穿透率變化... 47 圖4.7 實際量測與理論計算之穿透率的變化比較... 48

圖4.8 由 SiNx_0.1 至 SiNx_∞以 SEM 量測之表面形貌。 ... 50

圖4.9 SiNx_10 於（a）180 秒、（b）210 秒及（c）240 秒沈積時間， 以SEM 量測之表面形貌 ... 52

圖4.10（a） SiNx_0.1 以 AFM 量測之表面形貌 ... 53

圖4.10（b） SiNx_0.2 以 AFM 量測之表面形貌... 53

圖4.10（c） SiNx_0.5 以 AFM 量測之表面形貌 ... 54

圖4.10（d） SiNx_1 以 AFM 量測之表面形貌... 54

圖4.10（e） SiNx_2 以 AFM 量測之表面形貌 ... 54

圖4.10（f） SiNx_5 以 AFM 量測之表面形貌... 55 圖4.10（g） SiNx_10 以 AFM 量測之表面形貌... 55 圖4.10（h） SiNx_∞以 AFM 量測之表面形貌... 55 圖4.10（i） Cr 以 AFM 量測之表面形貌 ... 56 圖4.11 不同薄膜之粗糙度... 57 圖4.12（a）SiNx_10 沈積 180 秒以 AFM 量測之表面形貌 ... 58 圖4.12（b）SiNx_10 沈積 210 秒以 AFM 量測之表面形貌... 58 圖4.12（c）SiNx_10 沈積 240 秒以 AFM 量測之表面形貌 ... 58 圖4.13 氮化矽薄膜鍵結變化情形... 61

圖4.14 氮化矽薄膜 Si-H 特徵波峰變化情形 ... 62 圖4.15 氮化矽薄膜 N-H 特徵波峰變化情形... 62 圖4.16 氮化矽薄膜 N-H 及 Si-N 特徵波峰變化情形 ... 63 圖4.17 Si-N 特徵波峰強度與位置隨反應氣體配比變化關係。 ... 63 圖4.18 SiNx_10 薄膜鍵結於不同沈積時間的變化情形 ... 64 圖4.19 X 光光電子能譜儀（XPS）之薄膜成份分析 ... 65 圖4.20 SiNx_0.1 的 Si2p XPS 分峰圖譜... 67 圖4.21 SiNx_1 的 Si2p XPS 分峰圖譜... 67 圖4.22 SiNx_10 的 Si2p XPS 分峰圖譜... 68 圖4.23 N 與 O 對 Si 元素比例... 69 圖4.24 Si、N 與 O 元素於各樣品表面含量變化... 70 圖4.25 SiNx_10 薄膜成分 Si、C、N 與 O 元素縱深分析... 71 圖4.26 光罩效能測試圖案，（a）圖案全貌；（b）自 0.2µm 至 0.4µm 線寬分布條件；（c）自 1：1 至 1：5 間距比例分布條件；（d） 0.28µm 密集洞設計圖。 ... 72 圖4.27 SiNx_10 薄膜光罩，（a）製作圖案之前，與（b）製作圖案之後 光罩照片。光罩上（c）密集線，與（d）密集洞的圖案。 ... 73 圖4.28 為使用 SiNx_10 薄膜光罩於晶圓上實際曝光且顯影之結果。 ... 74 圖4.29 為晶圓上 0.48µm 週期光阻密集線 SEM 圖。（a）為使用二元式 光罩曝光的結果，（b）為使用 SiNx_10 薄膜光罩曝光的結果。 ... 75 圖4.30 為晶圓上光阻密集洞 SEM 圖。（a）為使用二元式光罩曝光的 結果，週期為0.6µm （b）為使用 SiNx_10 薄膜光罩曝光的結果， 週期為0.56µm。 ... 76

第一章、緒論

科技的發展是為了改善全人類的生活，發展過程中會因為時代背景不 同，而有不同的思考與追求方向。半導體工業在過去數十年的發展過程 中，大部分的努力，幾乎都集中在追趕莫爾定律。當然，持續朝更小尺度 的方向前進是必然的發展趨勢，但是，在行有餘力之時，是否應該慢下來 認真思考，為我們賴以生存的環境稍盡綿薄之力。 半導體發展至今日，線寬不斷的縮小，而線寬縮小最主要的瓶頸還是 在於微影技術，目前主要的微影技術有光學微影與電子束直寫微影兩種， 現今量產的微影方法還是以光學微影技術為主，原因主要在於其具有高產 能之特點。電子束直寫微影技術雖然有高解析度的特點，但因產能過低， 始終無法成為量產的主流方法。 光學曝光方式的產能之所以較電子束直寫曝光方式高，關鍵在於光學 曝光方式採用光罩，所有曝光所需之圖案已事先以特定倍率定義於光罩 上，不論圖案多寡與複雜性如何，所有圖案皆能在一次曝光中完成轉移到 晶圓上之光阻的特定位置(一般稱為 Die)上，因此光罩製作成為半導體製 程中不可或缺的重要一環，且光罩的品質也與產品的良率息息相關。

隨著線寬越來越小，傳統二元式光罩(Binary Intensity Mask, BIM)已不 符所需，因此，相位移式光罩(Phase-Shifting Mask, PSM)便應運而生。傳 統二元式光罩之光線阻擋材質主要以鉻(Cr)及其化合物為主，相位移式光 罩則主要以鉬化物為主。由於鉻和鉬皆為有毒或致癌之物質［1］［2］ ［3］，在現今環保意識高漲的今日，如何以較環保之物質來取代此類物 質，為本研究之主要課題。

本研究提出以氮化矽取代鉻或鉬，來作為光罩的遮光層或相位移層材 料，其特點為環保、穩定且容易製備，另外一大優點為此種材質在一般半 導體製程中很常被採用，因此，無須特別開發新的製程及蝕刻技術，直接 可以使用目前的半導體製程技術［4］，便可以製作出我們需要的光罩結 構材料，藉由這種的環保材質的導入，可以讓半導體生產過程朝向更環保 的目標邁進。

第二章、理論

2.1 微影技術(Lithography)

微影技術是半導體製程中相當重要的一項技術，而且也是非常關 鍵的一個步驟，圖2.1 為積體電路生產流程，由圖中可以看出，從晶圓 (Wafer)下線開始到製造完成送到測試站前，微影技術在生產流程中不 斷的被重複使用到［5］，可見微影技術在積體電路生產過程中一直扮 演著關鍵性的角色。 Lithography Ion Implantation Dielectric Deposition Etch Metallization Thermal Process CMP Wafer Start Wafer Test Lithography Ion Implantation Dielectric Deposition Etch Metallization Thermal Process CMP Lithography Ion Implantation Dielectric Deposition Etch Metallization Thermal Process CMP Wafer Start Wafer Test 圖2.1 積體電路生產流程

常見的微影技術有：光學微影技術(Optical Lithography 或稱為 Photo Lithography)、電子束微影技術(E-beam Lithography)、X 光微影技 術(X-ray Lithography)及奈米壓印微影技術(Nanoimprint Lithography)等 ［6］［7］。X 光微影技術由於 X 光偏折困難，因此必須使用 1:1 倍率 的光罩來進行投影曝光，由於奈米等級的1:1 倍率 X 光光罩製作相當困 難，加上高劑量 X 光光源取得不易，且 X 光能量大、穿透性強，會對 元件產生潛在性的傷害，因此，X 光微影技術幾乎已經出局。奈米壓印 微影技術最早由Stephen Y. Chou 提出［8］［9］，其製作之原理如圖 2.2 所示，初期的方式為熱壓式奈米壓印，但因此方式對準相當困難且 壓印時需要相當大的壓力，爲了改善這些問題於是有了歩進曝光式奈米 壓印技術的出現，除積體電路生產外，目前也應用於其他產品生產，如 光碟片之壓製、硬碟製造等，但目前尚有許多困難待克服，例如模板 (Template)脫模時的沾黏問題、模板損壞之控制以及高深寬比之奈米等 級模板製作不易等，但此技術也被列為下一世代微影技術的選項之ㄧ。 目前積體電路生產流程中常用到的兩種微影技術為光學微影技術與 電子束微影技術，其中電子束微影技術主要用於光罩製作與少量生產之產 品或研究開發之用途中，而光學微影技術則為目前積體電路生產之主要技 術，有關於此兩種微影技術將詳述於下面章節中。

壓印前 壓印中 壓印後 mold Imprint material substrate 圖2.2 奈米壓印微影技術示意圖 2.1.1 光學微影 光學微影技術的原理是將原本要製作的圖案預先製作於光罩 上，再利用曝光的方式將圖案轉印到塗有光阻的晶圓上。圖2.3 為光 學微影技術的主要製程流程圖，整個光學微影技術的製程主要分成 8 個步驟：1.塗底、2.光阻塗佈、3.軟烤、4.曝光、5.曝後烤、6.顯影、 7.硬烤、8.顯影後檢查，其中 1、2、3 及 5、6、7 幾個步驟在晶圓廠 生產過程中，都在自動化光阻塗佈及顯影系統中作業，此系統通常 會與曝光系統串連成自動化作業線，以減少污染之發生並可達到製 程穩定及高產能之目的。以下針對8 個步驟各別加以說明。

4.曝光

光阻處理系統

曝光系統

6.顯影 5.曝後烤 3.軟烤 2.光阻塗佈 1.塗底 7.硬烤

影像檢查設備

8.顯影後檢查 圖 2.3 光學微影技術的主要製程流程圖 1. 塗底(Priming) 塗底的目的是要確保光阻塗佈在晶圓上時有良好的附著性，由 於一般光阻本身為疏水性材質，而晶圓表面因吸附空氣中之水氣而 呈現親水性，透過塗底的步驟可以使晶圓表面變成疏水性。塗底前 會先做去水烘烤(Dehydration Bake)以去除吸附在晶圓表面的大部分 水氣，接下來才進行塗底步驟，塗底通常是使用HMDS 這種物質， 全名為六甲基二矽氯烷(Hexamethyldisilazane, (CH3)3SiNH(CH3)3)，圖 2.4 為塗底過程 HMDS 與晶片表面反應之示意圖。塗底的方式可分 為旋轉塗佈與氣相塗佈兩種，旋轉塗佈方式與光阻塗佈方式相同， 而氣相塗佈則是將HMDS 裝於氣泡甁中，再把氮氣通入 HMDS 液體 內使其產生氣泡，藉此方式得到HMDS 蒸氣，再將其導入反應腔體 內使其與晶圓表面產生反應達到塗底的目的，此種方式可以減少化 學品用量及減低化學品中雜質微粒所造成的汙染，而且塗底效果較 好，因此目前量產的方式都是採用氣相塗佈法，除此之外還會將去

水烘烤與塗底整合在同一個反應腔體中進行，這樣的好處是去水烘 烤後的晶圓可以直接進行塗底，無須再離開腔體與空氣接觸造成水 氣再吸附之困擾，另外也可以縮短製程時間。 Si晶圓表面 + H₂O Si晶圓表面 Si晶圓表面 OH OH O O Si N CH₃ CH₃ H3C H Si CH₃ CH3 CH₃ 親水表面 疏水表面 Si H₃C CH3 H₃C Si CH3 CH3 CH₃ + NH₃ Si晶圓表面 + H₂O Si晶圓表面 Si晶圓表面 OH OH O O Si N CH₃ CH₃ H3C H Si CH₃ CH3 CH₃ 親水表面 疏水表面 Si H₃C CH3 H₃C Si CH3 CH3 CH₃ + NH₃ 圖2.4 塗底過程 HMDS 與晶片表面反應之示意圖 2. 光阻塗佈(Coating) 光阻塗佈的方式有滾輪塗佈、旋轉塗佈等方式，目前主流的方 式為旋轉塗佈，光阻塗佈的步驟分別為： (1). 晶圓冷卻 塗底後的晶圓溫度還很高，若在此時直接進行光阻 塗佈，會因為光阻內的溶劑揮發太快而造成塗佈不均 勻，因此，晶圓塗底後要先送到冷卻平板上降溫，而且 此冷卻平板通常需要溫控系統來控制溫度，以維持晶圓 冷卻後之溫度能固定，以維持製程之穩定。 (2). 晶圓定位： 將冷卻後之晶圓擺放於塗佈機(Coater)的晶圓吸盤 (Chuck)上，擺放時須確保晶圓中心點與吸盤中心點一 致，如此才能避免後面的旋塗步驟在高速旋轉時，因中

心點不一致而造成震動進而影響塗佈均勻性或造成破 片。 (3). 光阻塗佈 晶圓定位後將適量的光阻噴灑在晶圓的中心，接下 來利用旋轉的方式讓光阻佈滿整個晶圓，通常旋轉的轉 速會分成兩個階段，第一階段為中速度旋轉，此階段的 目的是讓光阻佈滿晶圓，第二階段為高速旋轉，這個轉 速又稱為主轉速，此階段的目的是甩掉多餘的光阻，並 讓光阻溶劑揮發以使光阻成膜及定型。塗佈時注入的光 阻過多會造成浪費及成本增加，過少的光阻會造成塗佈 不均勻甚至塗佈不完整，因此，光阻的注入量需要經過 最佳化調整。主轉速及光阻的黏度則是決定光阻膜厚的 兩個主要因素，轉速越高光阻膜越薄，而黏度越高則光 阻膜越厚。 (4). 洗邊 以旋轉方式進行光阻塗佈後，通常在晶圓的邊緣甚 至下方會被光阻覆蓋，這些位置的光阻可能在後續製程 中，因機械手或晶圓夾盤的接觸而掉落造成微粒污染， 因此，在光阻塗佈後要進行洗邊的動作，此步驟同樣在 光阻塗佈槽中進行，通常是在主轉速之後，將轉速降回 中轉速，並以噴頭將溶劑注射到晶圓邊緣的上下兩側， 以使邊緣的光阻被溶解並沖走。

3. 軟烤(Soft Bake) 軟烤的目的是將塗佈在晶圓上之光阻內的大部分溶劑蒸發掉， 使光阻硬化成膜，並且可以增加與晶圓間的附著力，烘烤的時間和 溫度因光阻而異，通常光阻廠商都會有建議的溫度和烘烤時間供使 用者參考，烘烤不足時可能會使得光阻內因溶劑含量過高而呈現如 果凍般的狀態，這種情況在曝光時會使得光阻因產生微小的晃動而 造成解析度不佳，另外，過多的溶劑也會使得光阻的感光度變差。 過度的烘烤則會造成光阻變質，使得感光度下降甚至造成不感光。 軟烤後的晶圓通常會先送到冷卻板上降溫後再送進曝光機中，以維 持製程穩定。 4. 曝光(Exposure) 曝光機的原理和照相機基本上是類似的，完成光阻塗佈的晶圓 就如同底片一樣，而光罩就是我們要照的影像，只是曝光機的解析 度比照相機好很多而且也複雜很多。曝光機可分成接觸式與步進式 兩種，分別說明如下： 接觸式曝光機 接觸式曝光機根據光罩與晶圓的擺放方式又可細分 為近接式(Proximity)、接觸式(Contact)與真空式(Vacuum) 三種曝光方式，真空式曝光是指晶圓與光罩間利用真空 的方式使得兩者之間緊密接觸在一起，此種方式的解析 度最好，缺點是光罩容易受損或沾黏光阻，進而縮短光 罩壽命及造成製程缺陷。接觸式曝光是指晶圓與光罩直 接接觸，但不使用真空的方式來讓兩者之間緊密接觸在 一起，此種方式的解析度比真空式差但比近接式好，缺 點同樣是光罩容易受損或沾黏光阻，但情況比真空式好

一些。近接式曝光方式是指晶圓與光罩間沒有直接接 觸，而是留有一個約數十微米的間隙，這樣的好處是光 罩不易受損或沾黏光阻，使得光罩壽命增加及減少製程 缺陷的發生，但缺點是光學繞射情況較明顯，使得解析 度變差。 接觸式曝光機所使用的光罩是 1:1 的倍率，也就是 光罩上的圖案與晶圓上的圖案一樣，如此一來，晶圓越 大光罩就必須越大，才能在一次曝光中曝滿整個晶圓。 接觸式曝光機通常需要手動對準，加上解析度不夠好， 在目前量產的晶圓廠中已很少採用。 步進式曝光機(Stepper) 步進式曝光機是利用投影的方式將光罩上的圖案投 影到晶圓上，與接觸式曝光機不同的是光罩上的圖案已 被事先放大 4 或 5 倍，經由步進式曝光機的鏡頭投影到 晶圓上時，再縮小成原先設計的圖案大小，這樣的好處 是當線寬越來小時，光罩的製作相對會較容易，且光罩 上的誤差也會相對被縮小，這種形式的光罩被稱為倍縮 光罩(Reticle)。步進式曝光機每次曝光時僅在晶圓上的局 部區域進行曝光，這樣的區域我們一般稱為 Die，曝光完 成後晶圓再移動到下一個曝光位置，再進行下一次曝 光，如此反覆作業直到曝滿整片晶圓。當半導體的關鍵 線寬(Critical Dimension, CD)越來越小時，Die 的尺寸卻

是越來越大，而 Die 的尺寸越大代表著鏡頭必須越做越

大，但鏡頭越大不僅製造難度越高且製造成本也會急遽

的曝光機，業者便在步進式曝光機的基礎上進行改良， 推出了掃描式步進曝光機(Scanner)，掃描式步進曝光機 不僅解析度更好，而且使用相同直徑的鏡頭時，掃描式 步進曝光機單次曝光的範圍比步進式曝光機來的大，如 此一來便可以降低鏡頭的成本又能滿足產業的需求。 步進式曝光機與掃描式步進曝光機由於具有自動 化對準功能及全自動的晶圓傳送功能，可以與自動化光 阻塗佈及顯影系統串連成自動化作業線，因此，已經成 為目前量產晶圓廠中的主要曝光方式。

5. 曝後烤(Post Exposure Bake, PEB)

曝後烤的目的是消除駐波效應以及在光酸放大型阻劑中提供光 酸擴散與反應時所需的能量。所謂駐波效應是指曝光的光源穿過光 阻後照射在晶圓上時，晶圓表面反射的光線會與入射光線發生干涉 現象，進而在光阻內形成駐波，駐波效應會造成光阻側壁形成鋸齒

狀的現象，如圖2.5 所示［5］。消除駐波效應的方法有幾種：1. 使

用抗反射層(anti-reflective coating, ARC)來減少晶圓表面的反射，以 減少駐波效應的發生。2. 在光阻內添加染料可減低光的反射強度， 以降低駐波效應的形成。3.利用曝後烤來消除駐波效應，曝後烤時會 將光阻加熱到玻態轉換溫度，此時光阻會變軟並稍具流動性，而鋸 齒狀的表面由於應力較大，因此光阻的分子便會重新排列，變成應 力較小的平滑表面。曝後烤的溫度通常介於軟烤與硬烤之間，時間 大約在一分鐘左右，溫度或烘烤時間不足都無法完全消除駐波效 應，但過度的烘烤可能會造成光阻變形使得圖案失真。

光阻 底材 過度曝光 曝光不足 λ/2nPR 圖2.5 駐波效應造成光阻側壁形成鋸齒狀圖形 6. 顯影(Development) 由於溫度是影響溶解速率的重要因素，所以顯影時的溫度對顯 影速率會有明顯的影響，因此，曝後烤後的晶圓通常會先送到冷卻 板上降溫到特定溫度後再送進顯影機中，以維持製程穩定。顯影是 將不需要留下的光阻溶解並去除，僅保留需要的圖案，若使用的是 負型光阻，則曝光區域的光阻會交聯成不容易被顯影液溶解的長鏈 分子，因此在顯影過程中曝光區域會被留下來，而未曝光的區域則 會被顯影液溶解掉。反之，若使用的是正型光阻，則曝光區域的光 阻會變成可以被顯影液溶解的短鏈分子，因此在顯影過程中曝光區 域會被顯影液溶解掉，而未曝光的區域則會被留下來。目前業界普 遍 使 用 的 顯 影 液 為 TMAH，全名為氫氧化四甲銨 (Tetramethyl Ammonium Hydroxide, (CH3)4NOH)，顯影的方式通常先噴灑一定量 的顯影液，使得晶圓表面因表面張力的關係而覆蓋一層顯影液，並 靜置一段時使顯影液充分反應以溶解掉不需要的光阻，接下來再使 晶圓以中等速度旋轉，並噴灑大量的純水來洗淨晶圓，最後關閉純 水並使晶圓以高速度旋轉讓晶圓自動乾燥。

7. 硬烤(Hard Bake) 硬烤的目的主要是使光阻硬化，以增加對後續蝕刻或離子植入 等製程的抵擋能力，另一個目的則是消除光阻中的針孔，硬烤的溫 度通常比軟烤溫度高，而和曝後烤溫度相當或稍高，烘烤時間約在 60~90 秒左右。硬烤時間或溫度不足時，會造成蝕刻或離子植入的 抵擋能力不足，也可能因為光阻流動性不夠，而無法有效消除光阻 中的針孔。過度的烘烤則可能會造成光阻流動過大使得圖案失真變 形，也可能造成光阻過硬而造成後續去除光阻的步驟變的很困難。

8. 顯影後檢查(After Development Inspection, ADI)

微影製程結束後通常便會送到蝕刻機或離子佈植機中進行後續 製程，而這些步驟都是不可逆的，因此，在微影製程結束後進行圖 案正確性的檢查是很重要的，這個步驟一般稱為：顯影後檢查。顯 影後檢查的目的是要篩選出圖案製作不良的晶圓，無法通過檢查的 晶圓便會將光阻去除，並重新再做一次微影製程，這個流程稱為重 工(Rework)。 顯影後檢查是非常重要的一個步驟，因為在此步驟發現錯誤 時，可以很容易的去除晶圓上的光阻圖案，如果是在蝕刻或離子佈 植後才發現圖案錯誤，則可以重工的機會是很低的，這些晶圓可能 最後需要報廢。顯影後檢查通常會使用目視、光學顯微鏡檢驗及電 子顯微鏡檢驗等方法，目視主要是巨觀的觀察，而顯微鏡則是做微 觀的觀察，主要是查看晶片是否有缺損、刮傷、顯影不良、對準偏 移過大、光罩使用錯誤、缺陷或微粒污染等情形。在關鍵層圖案製 作時，則會使用線上型電子顯微鏡進行關鍵線寬(CD)的量測，此種 顯微鏡的特色是不需任何前處理即可將整片晶圓直接送入觀察，並

且於觀察後可以直接送回生產線繼續生產，因此線上型電子顯微鏡 已成為目前晶圓廠必備的顯影後檢查設備。 2.1.2 電子束微影 電子束微影技術的特點為解析度高，在積體電路產業中最常應 用於光罩製作上，而其最大的缺點是產能過低，為了改善電子束微 影低產能的問題，陸續有不同的技術開發出來，例如投影式電子束 微影技術(E-Beam Projection Lithography, EPL)、可變形束電子束 (Shaped E-Beam) ［10］［11］以及多重電子束(Multi E-Beam)等， 微影技術的發展目前還在持續中，此技術也被列為下一世代微影技 術的選項之ㄧ。電子束微影技術的製程基本上與光學微影技術類 似，不同的部份在於曝光光源以及光罩的使用與否，電子束微影使 用的光源為電子束，因此不會有駐波效應的發生。至於光罩的部份 除了投影式電子束微影技術外，其他的電子束微影技術都是使用直 寫(Direct Writing)的方式，因此無須使用光罩，投影式電子束微影技 術由於技術門檻相當高，加上光罩製作不易，幾乎已經出局，目前 常用的還是使用直寫的電子束微影技術。

2.2 解析度增益技術(Resolution Enhancement

Technologies, RET)

在介紹解析度增益技術前，首先我們先針對光學微影製程技術的 幾項重要參數做一個簡單的回顧，解析度與景深應該算是微影製程中很

最重要的兩個參數，根據雷利方程式(Rayleigh's Equation)可將解析度與 景深表示如下： 解析度：

NA

λ

k

R

=

_{1 (1)} 景深： 2 2

NA

λ

k

DOF

=

₍₂₎ R：解析度(Resolution) DOF：景深(Depth of Focus) k1

、

k2：製程參數(Process factor) λ：曝光光源波長(Wavelength) NA：數值孔徑(Numerical Aperture) 由以上公式可以得知若要提高解析度，有幾個方式可以達到，縮 短曝光光源波長(λ)為其中的一個方法，基於這個方法使得曝光機使用的 光源由g-line(λ=436nm)演變為 i-line (λ=365nm)，再進ㄧ步變成 DUV 光 源，也就是KrF(λ=248nm)以及目前主流的 ArF(λ=193nm)光源，但當波 長越來越短時，透鏡對曝光光源的吸收越來越高，因此傳統的石英材質

已經不敷使用，在 ArF 的成像系統中必需加入新的透鏡材料(如 fused

silica、CaF2等)，以確保有足夠的穿透率，而波長越來越短另一個意義

［13］，這些原因都會造成設備製造及維護的成本大幅提升。另一個提 高解析度的方法是加大NA 值，要提高 NA 值最直接的方法就是使用更 大的成像鏡頭，但鏡頭越大成本越高，且技術難度也會越高［14］。 由以上景深的公式可以得知，當我們努力的提高解析度時，景深 卻跟著變小了，而這與我們的需求正好是相反的，因此，當使用縮短曝 光光源波長及加大NA 值這兩種方法來提高解析度時，必須兼顧到合理 的景深，過小的景深會導致成像失敗，這樣的解析度是沒有用的［15］ ［16］。 除了前面提到的縮短曝光光源波長(λ)以及加大 NA 值外，另一個 提高解析度的方法是降低公式(1)中的 k1值，這就是所謂的解析度增益 技術(RET)，改變光學系統就可以改變 k1值，而相位移光罩(PSM)便是 其中一種方法，除此之外還有偏軸照射(OAI)、光學近接效應修正(OPC) 及抗反射層(ARC)等［17］［18］，茲分別敘述如下：

2.2.1 偏軸照射(Off-Axis Illumination, OAI)

所謂偏軸照射，顧名思義即是使入射光偏離成像系統之光軸， 藉由斜向入射以消除零階背景光，以提升影像對比度，進而得到較 佳的成像品質，但由於消除了背景光，降低整體入射光強度，因此 必須增加曝光時間，造成產能降低。 偏軸照明技術多應用在小線寬的密集線情況下，概略約是週期 小於波長除以數值孔徑的範圍內(p＜λ/NA)，因為在此情況時方得 以顯現出這項技術增加解析度的效果；用在大線寬及孤立線圖案 時，不僅效果平平，甚至反倒會有景深下降的缺點。在使用此項技

術時，會依據不同的圖案模式來選擇合適的偏軸照明模式。一般而 言，一維週期性圖案如動態隨機存取記憶體（DRAM）中的字元線 （Word Line）與位元線（Bit Line），多使用偶極（Dipole）偏軸照 射光源；二維週期性圖案如接觸洞（Contact Hole），則使用四極 （Quadrupole）偏軸照射光源；至於其他類型圖案則有環形（Annular） 偏軸照射光源可供選擇。

此外，近年來由於模擬運算技術進步，偏軸照射光源已非上述 之單純模式，光源形狀可以依照圖案設計需求來改變，藉由運算設 計之後，利用繞射光學元件（Diffraction Optical Element）來達成。

2.2.2 光學近接效應修正(Optical Proximity Correction, OPC)

當曝光的圖案接近解析極限時，圖形會因繞射現象而產生明顯 的失真情形，如圖 2.6 (a)所示，原本光罩上方形的圖案經過曝光後 得到的圖案變成圓形，光學近接效應修正(OPC)是在原本會發生失真 的位置，加上小於解析極限的修飾圖案，使得曝光後的圖案會較接 近於原本的設計圖形，如圖2.6 (b)所示［19］。製作 OPC 光罩有許 多困難的地方，例如增加修飾圖案後光罩複雜度變的很高，使得光 罩的檢測與製作相對變的更困難，而許多原本不會被曝光出來的微 小缺陷，可能因為添加了OPC 圖案後而被曝出來，除此之外，增加 在原圖案上的修飾圖案該如何設計才能達到最佳化，使曝光出來的 結果能最接近原設計圖案又不至於產生不希望有的圖形，則是更複 雜的問題，圖 2.7 為比較沒有做 OPC 以及添加不同大小的 OPC 圖案 時，光罩的設計及模擬曝光結果與實際曝光結果之比較［19］，由

圖中結果可以看出，過度的修飾反而會造成原本不希望有的圖形被 曝出來。 (a) 傳統光罩 光罩圖案 曝光結果 (b) OPC光罩 光罩圖案 曝光結果 (a) 傳統光罩 光罩圖案 曝光結果 (a) 傳統光罩 光罩圖案 曝光結果 (b) OPC光罩 光罩圖案 曝光結果 (b) OPC光罩 光罩圖案 曝光結果 圖2.6 傳統光罩與 OPC 光罩比較 圖2.7 比較沒有做 OPC 以及添加不同大小的 OPC 圖案時， 光罩的設計及模擬曝光結果與實際曝光結果之比較［19］

2.2.3 抗反射層(Anti-Reflective Coating, ARC) 當晶圓經過蝕刻或沈積等製程後，表面開始變的不平整，此時 晶圓表面的反射光會有垂直晶圓表面的反射光及側向的反射光，垂 直晶圓表面的反射光會造成駐波效應的發生，這個部份在前面已經 提過，而側向的反射光會造成圖案發生凹陷缺口(notch)之情形，圖 2.8 左圖顯示入射光因晶圓表面凸起之圖案而發生側向散射，使得鄰 近原本不透光區域被曝光，而發生右圖之凹陷缺口現象［20］，這 種現象的發生會造成解析度下降，使用抗反射層(ARC)可以減少晶圓 表面的反射，不僅減少駐波效應的發生，也可以避免凹陷缺口現象 之產生，進而提高解析度。 不透光 區域 光罩圖案 側視圖 入射光 側向反射光 晶圓表面 落差低點 晶圓表面 落差高點 不透光 區域 光罩圖案 側視圖 入射光 側向反射光 晶圓表面 落差低點 晶圓表面 落差高點 顯影後 光阻圖案 凹陷缺口(notch) 晶圓表面 落差低點 晶圓表面 落差高點 上視圖 顯影後 光阻圖案 凹陷缺口(notch) 晶圓表面 落差低點 晶圓表面 落差高點 上視圖 圖 2.8 側向的反射光造成圖案發生凹陷缺口(notch) 2.2.4 相位移光罩(PSM) 相位移光罩是用於改善空間成像品質的解析度增益技術之ㄧ， 相位移光罩的形式有很多種，現今製程上最常見的為交替式相位移

光罩(Alternating Phase Shifting Mask, Alt-PSM)及衰減式相位移光罩 (Attenuated Phase Shifting Mask, Att-PSM)，有關相位移光罩的部份詳 述於後。

2.3 相位移光罩技術

相位移光罩的概念最早是由 Levenson 等人所提出，後來陸續有各 種變化形式的相位移光罩出現，目前業界的先進微影製程技術中，相位 移光罩已是必然會使用的一項光罩技術，此技術不僅可以提升解析度， 更可以增加景深。 2.3.1 相位移光罩原理 相位移光罩是藉由降低繞射現象產生的問題，進而達到增加影 像對比、提高解析度的目的。圖 2.9 是傳統二元式光罩(BIM)與相位 移光罩之比較圖，圖2.9(b)由於添加了相位移材料，使得鄰近的兩個 透光區域的光相位相反，造成繞射光產生壞性干涉，使得不透光區 域的光強度減弱，因此加強了原本的對比度(contrast)，使得原本無 法解析的區域變成可以解析出來［21］。相位移層材料所需的厚度 可以用以下的公式(3)來概略計算：

₂

₍

λθ

₎

_π

env

n

n

m

d

−

=

₍₃₎ d：相位移層厚度 m：奇數(m=1,3,5,7, …) λ：入射光波長 θ：相位移角度 n：相位移層折射率 nenv：環境折射率，如在空氣中則為 1

要計算在空氣環境下，產生 180 度相位差之最小厚度時，將 θ=π、 m=1 及 nenv=1 帶入公式(3)中變成：

d

=

₂

₍

_n

λ

₋

₁

₎

(4) 將相位移層材料之折射率「n」帶入公式(4)中，即可求得產生 180 度相位差之相位移層材料的最小厚度「d」。 I at wafer E at wafer E at mask Glass Chrome Phase Shifter I at wafer E at wafer E at mask Glass Chrome Phase Shifter (a) (b) 圖2.9 傳統光罩與相位移光罩之比較 (a)傳統二元式光罩，(b)相位移光罩 2.3.2 常見的相位移光罩種類 相位移光罩常見的種類有：1.交替式相位移光罩(Alternating Phase-Shifting Mask, Alt-PSM) ， 2. 外 架 型 相 位 移 光 罩 (Outrigger Phase-Shifting Mask) ［22］，3. 無鉻膜式相位移光罩(Chrome-less Phase-Shifting Mask) ［23］，4.邊緣型相位移光罩(Rim Phase-Shifting

Mask) ［24］，5.衰減式相位移光罩(Attenuating Phase-Shifting Mask, Att-PSM) ［25］，表 2.1 列出常見的相位移光罩類型及其應用。 表2.1 常見的相位移光罩類型及其應用 種類 別稱 效果 可引用之處 交替式相位移光罩 Alternating PSM Alt-PSM Levenson PSM Strong PSM

Strong Dense Lines _{Dense Spaces}

外架型相位移光罩 Outrigger PSM

Sub-resolution

Additional Aperture Weak Isolated Features

無鉻膜式相位移光罩 Chrome-less PSM

Phase-edge Chrome-less

Un-attenuated Strong Narrow Lines

邊緣型相位移光罩 Rim PSM Weak Contacts, Isolated Features 衰減式相位移光罩 Attenuating PSM Att-PSM Half-tone PSM Leaky-chrome PSM Embedded PSM

Weak Contacts _{Isolated Features}

1. 交替式相位移光罩(Alternating Phase-Shifting Mask, Alt-PSM)

交替式相位移光罩為 Levenson 等人所發明，主要在鉻膜圖案 (Chrome Feature)間加入相位移層(Shifter)材料，藉由相位移層材料使 得入射光產生 180 度的相位差，降低繞射所引起的干涉效應，使得 鉻膜圖案邊界的對比提高。加入相位移層材料可能使得相位移層之 圖案被定義在光阻上，但現今已有許多方法可以解決此問題，圖2.10 為其中一種解決方式，此種方式不另外使用相位移層材料，而是直

接蝕刻石英(Quartz)基材，利用石英基材厚度的改變來達到相位反相 的目的。 Quartz Cr/CrOx Photoresist Dry etch Resist coating Development Dry etch Wet etch Resist Strip Exposure & Development Resist Strip Alignment & exposure 圖 2.10 交替式相位移光罩製作之方法

2. 外架型相位移光罩(Outrigger Phase-Shifting Mask)

圖 2.11 為外架型相位移光罩的示意圖，此種光罩適用於獨立的 圖案(Isolated Features) ［20］。 Glass Chrome Phase Shifter 圖2.11 外架型相位移光罩的示意圖

3. 無鉻膜式相位移光罩(Chrome-less Phase-Shifting Mask)

無鉻膜式相位移光罩的原理是利用石英作為相位移層材料取代 鉻膜來定義圖案輪廓，此外，由於反相干涉，相位移層材料的邊緣 會形成暗線，當相位移層材料的圖形寬度小於可解析距離時，在兩

邊形成的暗線會結合成一條，就如同一條鉻膜形成的線一般。圖2.12

為ASML 公司提出的 Chromeless Phase Lithography (CPL™ )技術。

圖2.12 Chromeless Phase Lithography (CPL™ )技術(Courtesy of ASML)

4. 邊緣型相位移光罩(Rim Phase-Shifting Mask)

圖 2.13 為邊緣型相位移光罩的示意圖，此種光罩適用於接觸洞

(Contact Hole)及獨立的圖案(Isolated Features) ［20］。

Glass Chrome Phase Shifter Glass Chrome Phase Shifter 圖2.13 邊緣型相位移光罩的示意圖

5. 衰減式相位移光罩(Attenuating Phase-Shifting Mask, Att-PSM) 衰減式相位移光罩又稱為減光型相位移光罩或半透(Halftone)型 相位移光罩，主要使用於接觸洞(Contact Hole)［26］。若依其形式 可分為單層、雙層與多層三種［27］［28］［29］，如圖 2.14 所示。 Glass Half Tone Chrome Phase Shifter 雙層式 Glass Half Tone Shifter 單層式 Glass Multi Layer Shifter 多層式 圖2.14 衰減式相位移光罩之種類 目 前 常 見 的 衰 減 式 相 位 移 光 罩 通 常 只 使 用 一 層 相 位 移 層 (Shifter)，鉬矽化合物為常用之材質，這種光罩的相位移層由於呈現 半透明狀，藉由透明及半透明區域的相反相位差來達到提高影像解 析 度 的 目 的 ， 圖 2.15 為 傳 統 光 罩 (BIM) 與 衰 減 式 相 位 移 光 罩 (Att-PSM)之比較。此類光罩的副作用是主要圖形投射光之側瓣波 (Sidelobe)會從局部透光之相位移層漏光，通常單獨之側瓣波不會有 足夠的能量來對阻劑曝光，然而某些圖案的配置可能造成特定位置 之側瓣波疊加而於不應曝光處曝光［30］。衰減式相位移光罩常會 搭配偏軸照射(OAI)以達到更好的解像能力［31］。圖 2.16 為目前較 常使用的衰減式相位移光罩之製作方法。

I at wafer E at wafer Glass Chrome Phase Shifter BIM Att-PSM 圖2.15 傳統光罩(BIM)與衰減式相位移光罩(Att-PSM)之比較 Quartz MoSiON Cr/CrOx Photoresist Resist coating Alignment exposure Exposure & Development Resist Strip Dry etch Development Wet etch Resist Strip 圖2.16 目前較常使用的衰減式相位移光罩之製作方法

第三章、實驗

3.1 研究內容與方法

爲了證明本次研究提出的氮化矽薄膜，可以作為下一世代環保微 影光罩結構材料，我們希望實際製作氮化矽薄膜之光罩並進行曝光測 試，但礙於儀器設備受限，因此本實驗將製作波長365nm 的 i-line 衰減 式相位移光罩(Att-PSM)，並進行各種驗證以確認此材質之可行性。 傳統之衰減式相位移光罩(Att-PSM)通常使用鉬矽化合物為相位移 層，本次研究使用氮化矽(SiNx)薄膜來取代傳統薄膜。傳統之衰減式相 位移光罩之相位移層薄膜通常須保持4%~12%的透光率，且其厚度要能 剛好使穿透之光線與鄰近無相位移層材料區域之穿透光具有 180 度之 相位差，如此才能使得對比度提高，進而增加解析度。而要達到這兩個 特 點 ， 通 常 需 要 尋 找 適 當 折 射 率(Refractive Index, n) 及 消 光 係 數 (Extinction Coefficient, k)之材料，才能滿足此要求。 針對不同曝光光源之波長，相位移層薄膜所需之厚度及n、k 值並 不相同，本次使用之氮化矽薄膜，為了符合所需之厚度及 n、k 值，我 們可以藉由調整矽及氮的比例來達成。 目前製作光罩之曝光設備主要有雷射描繪機(Laser Writer)及電子 束曝光機(E-beam Writer)兩種，由於雷射描繪機之解析度較差，因此， 高階光罩大多使用電子束曝光機來製作圖案。使用電子束曝光機進行光 罩製作時，由於會有電荷累積的現象，因此，光罩上須有一層導電薄膜 以避免電荷累積現象發生，由於氮化矽薄膜本身不導電，因此，本研究 將於氮化矽薄膜上再鍍上一層金屬薄膜，以作為導電層。本研究之光罩

在蝕刻步驟將採用乾蝕刻方式，以避免濕式蝕刻所造成之底切(Under Cut)效應。圖 3.1 為本實驗之環保材料相位移光罩製作流程。 在薄膜的特性分析方面，鍍完相位移層薄膜之光罩，可以利用 UV-Vis 光譜分析儀進行量測，即可知道其在不同波長之穿透率，便可 知道其穿透率是否符合需求。利用n & k Analyser 可以求得薄膜之 n、k 值，進而可得知需求之薄膜厚度。當 n、k 值與穿透率無法同時符合需 求時，可以調整矽及氮的比例來改變薄膜特性，直到符合需求為止。 Glass SiN_x Ni PR Glass SiN_x Ni PR Glass SiNx Ni Glass SiNx Ni PR Glass SiN_x Glass SiN_x Ni PR Glass SiN_x Ni PR Glass SiN_x Ni PR Glass SiN_x Ni PR Glass SiN_x Ni PR Glass SiN_x Ni PR Glass SiNx Ni Glass SiNx Ni Glass SiNx Ni Glass SiNx Ni PR Glass SiNx Ni PR Glass SiNx Ni PR Glass SiN_x Glass SiN_x Glass SiN_x 圖3.1 環保材料之相位移光罩製作流程

3.2 薄膜製備

3.2.1 衰減式相位移光罩相位移層材料的要求及材料選擇 1. 折射率(Refraction Index, n) 選擇適當折射率的材料，使得相位移層(Shifter)能讓穿透光能 產生180 度之相位差。 2. 消光係數(Extinction Coefficient, k) 選擇適當消光係數的材料，並搭配適當膜厚使穿透光能保持 特定的穿透率，傳統衰減式相位移光罩之相位移層薄膜通常須保 持4%~12%的透光率，而目前商用的衰減式相位移光罩的相位移 層穿透率約為6%至 18%。［32］ 3. 須能耐酸洗 在光罩的製作過程最中，會使用硫酸來去除光罩表面的光 阻，且在微影製程中由於光罩會不斷的被重複使用到，一旦發現 光罩有被污染之情形時，便會進行光罩清洗的作業，而光罩清洗 最常使用的方式也是酸洗，因此，光罩及相位移層的材料必須能 夠耐酸洗，以確保光罩在清洗後能繼續使用。 4. 薄膜成份穩定且不易水解 微影製程之光罩通常存放在無塵室中，雖然無塵室裡有良好 的溫濕度控制，但是氧化或是吸附水氣之情形還是無法避免，因 此，成份穩定且不易水解的材料才適合用來製作光罩及相位移層 的材料。 要選擇一種適當的材料使其 n、k 值能夠與 Quartz 底材有 180 度的 相位差，又對曝光機的光源能保持適當的穿透率，以目前單一元素的材 料而言較難達到，因此須朝向二元化合物尋找，二元以上化合物則因製 作複雜，本次研究暫不考慮。

3.2.2 相位移層薄膜沈積 傳統之衰減式相位移光罩(Att-PSM)通常使用鉬矽化合物為相位移 層，本研究挑選的材料為 SiNx，藉由調整氮與矽成分組成的控制技術 可以獲得所需的 n 與 k 值。相位的調整可經由製程條件改變其 n 與 k 值及厚度，所以薄膜成長製程的調整與控制是非常重要的。 相位移層薄膜採用電漿輔助化學氣相沈積系統(PECVD)來沈積 氮化矽(SiNx)薄膜，該設備廠牌為 Oxford，型號為 100 PECVD Cassette System，電漿輔助化學氣相沈積的原理與一般的 CVD 類 似，但是因為電漿的加入，使得薄膜可以在較低的溫度下沈積，主 要原因是電漿中的反應物是自由基及化學活性較高的離子，而且基 板表面也因為離子轟擊的關係而變得化學活性較高，這兩項因素促 進了基板表面的化學反應速率，才使得電漿輔助化學氣相沈積系統 可以在較低的溫度下進行沈積。此種沈積方式主要優點是具有較低 的沈積溫度，而缺點則是容易會有微粒的污染。電漿輔助化學氣相 沈積的薄膜中常含有大量的氫原子。 使用PECVD 成長氮化矽薄膜具有容易調控薄膜成份之優點，薄 膜成份可藉由諸多製程參數來調整，如反應前驅物流量比、RF Power、溫度、壓力等。其中又以調整反應前驅物流量比之效果最顯 著。因此本實驗選擇使用此法，調控反應前驅物比例以製作不同光 學常數之SiNx薄膜，展示此材料應用於相位移光罩的潛力。 表3.1 為本實驗 PECVD 製程參數條件，編號尾數即為氣體流量 配比，以 SiNx_0.2 為例，即代表 SiH4/NH3 比例為 10：50，除了 SiNx_0.1、SiNx_10 與 SiNx_∞這 3 組因為儀器氣體流量上限制的關 係，其餘各組反應氣體總量固定為60sccm，以容易釐清氣體配比對

光學常數變化與膜厚成長速率影響關係。此外，我們同時將矽晶圓

與玻璃基材置入PECVD 反應腔體，兩種基材一起完成相同條件之鍍

膜，以利於後續各種不同的量測分析作業。

表3.1 本實驗PECVD 製程參數條件

Gas Mass Flow (sccm)

編號 SiNx_0.1 SiNx_0.2 SiNx_0.5 SiNx_1 SiNx_2 SiNx_5 SiNx_10 SiNx_∞ SiH4 5 10 20 30 40 50 50 50

NH3 50 50 40 30 20 10 5 0

1. Recipe: PSM SiN 1000 A Si/N

2. Pressure: 850 mTorr ；APC: 38.6 ∘- 38.8∘ 3. Time: 8 min 4. Temp: 300℃ 5. RF Power: 20 W，R Power: 0 W 3.2.3 導電金屬層薄膜沈積 由於光罩製作時我們採用電子束曝光機來製作圖案，因為氮化 矽薄膜本身不導電，為了避免電荷累積現象發生，因此，我們在氮 化矽薄膜之上沈積了一層鎳金屬薄膜以作為導電層，由於鎳的硬度 相 當 高 ， 因 此 我 們 同 時 拿 它 來 當 作 光 罩 蝕 刻 時 的 硬 遮 罩(Hard Mask)。本次蒸鍍鎳的厚度為 50Å。 本次實驗的導電金屬層沈積採用電子槍金屬蒸鍍系統(E-gun)， 設備廠牌為AST(Advanced System Technology Co., Ltd.)，型號：AST PEVA 600I。此機台使用電子束作為蒸渡源，最大直流功率為 10 KW，基本真空能力(Base Pressure)約為 5E-7torr，濺渡時維持在 8E-6torr。電子槍金屬蒸鍍系統的特點是採用可聚焦的電子束來局部 加溫蒸鍍源，因為不加熱其他部分因此可以避免污染，另外，聚焦 的電子束能量非常大，適合用來蒸鍍高熔點元素。

3.3 薄膜物理特性與化學特性分析

3.3.1 光學常數與厚度量測

n & k 分析儀（n & k Analyzer）於本實驗中用來量測薄膜光學常 數與厚度，儀器廠牌為n & k Technology，型號為 n & k 1500。

此儀器主要量測樣品表面的反射率，再以反射率曲線比對方式 計算出薄膜的光學常數與厚度。量測光波段涵蓋深紫外光至近紅外 光，為190 nm 至 1000 nm，量測光入射光角度為 5°。 此儀器使用之計算理論基礎為 Forouhi-Bloomer Formulation ［33］［34］［35］，理論反射率 Rt表示於下面之公式(5)：

[

λ

,

θ

,

,

f

(

λ

),

f

(

λ

),

s

(

λ

)

s

(

λ

),

g

,

σ

1

,

σ

2

]

t t

R

t

n

k

n

k

E

R

=

(5) 其中，λ為波長，θ為光入射角度，t 為薄膜厚度，nf(λ) 與 kf(λ) 為薄膜折射率與消光係數，ns(λ) 與 ks(λ)為底材折射率與消光係 數，Eg 為薄膜能帶間隙，σ1 為空氣/薄膜介面粗糙度，σ2 為薄膜/ 底材介面粗糙度。 Substrate: n_s(λ), k_s(λ) Film: t, n_f(λ), k_f(λ), E_g, θ _R(λ) σ₁ σ₂ 圖3.2 n&k 分析儀量測原理示意圖

當儀器量測得反射率之後，再與使用者給定之薄膜材料資訊以 上述公式運算結果比對，以求得薄膜光學常數及厚度。

3.3.2 穿透率量測

紫外-可見光光譜儀（Ultraviolet and Visible Spectroscopy）於本

實驗中用來量測薄膜穿透率，儀器廠牌為 SHIMADZU，型號為 UV-2501PC。 此儀器主要利用入射光同時穿過兩個不同樣品槽，ㄧ個為參考 光，另一個則為實驗樣品，比較兩道穿透光強度以計算穿透率。量 測範圍為200 nm 至 1100 nm，以垂直角度入射樣品。穿透率 T 表示 如下： ref sample

I

I

T

=

₍₆₎

Isample為樣品穿透光強度，Iref.為參考穿透光強度。

本實驗以潔淨乾燥氮氣為背景進行儀器光學系統校正，同樣再 以潔淨乾燥氮氣作為參考樣品，求得之穿透率為包含薄膜與玻璃之 光罩整體穿透率。

3.3.3 薄膜結構觀察與厚度量測

掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）於本

實驗中用來觀測薄膜截面結構及量測薄膜厚度，儀器廠牌為FEI，型

號為Nanolab NOVA600i。

此儀器主要利用電子束入射樣品表面以產生二次電子，以偵測 器收集二次電子訊號，並轉換成電訊號，輸出至螢幕畫面顯示［36］。

由於本實驗薄膜材料導電性不良，因此影像品質欠佳，但又礙 於鍍導電膜會覆蓋原有薄膜結構，可能更無法看出細微狀態，因此 僅以人工破片後，送入腔體直接觀察。

3.3.4 表面粗糙度量測

原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)於本實驗中用來

量測薄膜表面粗糙度，儀器廠牌為Veeco，型號為 D5000。 此儀器主要利用懸臂（Cantilever）前端微小探針（Tip）於試片 表面掃描，探針尖端的原子與樣品表面原子的凡得瓦力（Van Der Waals' Forces）作用，造成懸臂產生位移，再以雷射光偵測懸臂位移 量，以取得位置試片表面位置與對應高度的資訊。 3.3.5 化學鍵結分析

傅 立 葉 轉 換 紅 外 線 光 譜 儀 （ Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）於本實驗中用來分析薄膜含有的化學鍵結，以

分析薄膜組成成分，儀器廠牌為ASTeX，型號為 PDS-17。

此儀器主要量測紅外線吸收光譜，利用化學鍵吸收紅外線的特

性，來判定樣品中含有何種鍵結。環境以潔淨乾燥氮氣purge，量測

3.3.6 薄膜元素分析

X 光光電子能譜儀(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)與歐 傑電子能譜儀（Auger Electron Spectroscopy, AES）於本實驗中用來

判定薄膜的化學成分、成分比例與成分縱深分布，儀器廠牌為 VG Scientific，型號為 Microlab 310F。 X 光光電子能譜儀主要利用 X 光入射樣品表面，表面原子的電 子吸收 X 光的能量後脫離原子束縛，形成自由電子並帶有動能，藉 由偵測自由電子的數量與動能，分析此光電子的能量以獲得相關的 化學組態以及化學成分的資訊。實驗中能譜儀的量測範圍從 0 至 1000eV，使用的 X 光光源為 Al 的 Kα(1486eV)。 歐傑電子能譜儀則是先利用3keV 氬離子進行蝕刻，於設定時間 再以 10keV 電子入射樣品表面，激發並收集樣品表面數層原子內的 歐傑電子，分析此歐傑電子的能量以獲得樣品組成成分資訊。實驗 中主要觀測Si、C、N、O 四種元素於薄膜中含量變化。

3.4 光罩製作

3.4.1 光罩微影製程 光罩微影製程主要步驟如圖3.5 所示，本次實驗使用旋塗機來塗 佈電子束阻劑，設備廠牌為 CONVAC，型號為 801。曝光設備為電 子束曝光機，設備廠牌為Leica，型號為 Weprint 200。顯影機之廠牌 為CONVAC，型號為 CPP 70。光罩微影製程參數條件如表 3.2 所示。

3.曝光

光阻處理系統

_曝光系統

5.顯影 4.曝後烤 2.軟烤 1.阻劑塗佈 6.硬烤

影像檢查設備

7.顯影後檢查 圖3.5 光罩微影製程主要步驟 表3.2 光罩微影製程參數條件 項目 參數 說明 阻劑塗佈 轉速：3000rpm 膜厚：2300Å 電子束阻劑 廠牌：Fujifilm 型號：FEP-171 類型：正型 軟烤 溫度：120℃ 時間：90 秒 加熱形式：熱板接觸式加熱 曝光 劑量：11μC/cm2 曝後烤 溫度：110℃ 時間：90 秒 加熱形式：熱板接觸式加熱 顯影 方式：puddle 時間：50 秒 顯影液 廠牌：多聯科技 型號：AD-10 成份：TMAH 2.38% 硬烤 溫度：90℃ 時間：90 秒 加熱形式：熱板接觸式加熱

3.4.2 光罩圖案蝕刻及光阻去除 所有微影製作程序完成並通過顯影後檢查者，即可送到蝕刻站 進行下一步作業，蝕刻可分為溼式蝕刻與乾式蝕刻，溼式蝕刻設備 成本較低，但會有底切效應，適合製作較大線寬的光罩時使用，乾 式蝕刻適合製作較小線寬的光罩時使用，雖然效果很好但設備成本 很高，目前僅用在高階光罩製作上。 本次實驗採用乾式蝕刻法，由於乾式光罩蝕刻設備相當昂貴， 並非一般學校或研究機構所能買的起，因此本次實驗以PECVD 設備

來執行乾蝕刻作業，設備廠牌為Oxford，型號為 100 PECVD cassette system。 調整 PECVD 相關參數即可讓設備由沈積的功能變為蝕刻的功 能，這項功能在 PECVD 進行腔體(Chamber)清潔時常會使用到，表 3.3 為本次光罩乾式蝕刻製程參數條件。 蝕刻後之光罩需要進行蝕刻後檢查，通過後才可進行光阻去 除，光阻去除我們使用濃硫酸加少量雙氧水浸泡10 分鐘，浸泡時之 溫度為120℃，浸泡完成後以超純水清洗再晾乾，晾乾完成之光罩要 做最後QC 檢查，確認圖案無誤後即完成光罩製作。 表3.3 光罩乾式蝕刻製程參數條件 項目 Ni 蝕刻參數 SiNx蝕刻參數 NH3 50

Gas flow rate

(sccm) CF4/O2 80/20

Temp (℃) 300 300

Pressure (mTorr) 150 150 RF Power (W) 250 60

3.5 晶圓曝光驗證

晶圓曝光驗證之微影製程主要步驟如圖2.3 所示，本次實驗使用

自動化光阻塗佈及顯影系統(Track)來進行曝光前之塗底、光阻塗佈 及軟烤作業，以及曝光後之曝後烤、顯影、及硬烤作業，使用之設 備廠牌為TEL(Tokyo Electron)，型號為 CLEAN TRACK Mk-8。曝光 設備為i-line 光學曝光機(i-line Stepper)，廠牌為 Canon，型號為 FPA 3000 i5+。顯影後檢查之設備為線上型電子顯微鏡(In-line SEM)，廠 牌為 HITACHI，型號為 S-6280H。表 3.4 為本實驗晶圓曝光驗證之 製程參數條件。 表3.4 晶圓曝光驗證製程參數條件 項目 參數 說明 塗底 溫度：90℃ 時間：90 秒 HMDS 塗底方式：氣相塗佈 加熱形式：熱板接觸式加熱 阻劑塗佈 轉速：3435 rpm 膜厚：8350Å 光阻劑 廠牌：TOK 型號：THMP-iP 3650 HP 類型：正型 軟烤 溫度：90℃ 時間：60 秒 加熱形式：熱板接觸式加熱 曝光 中心劑量：2000 J/M 2 中心焦距：0 µm 曝後烤 溫度：120℃ 時間：60 秒 加熱形式：熱板接觸式加熱 顯影 方式：Puddle 時間：60 秒 顯影液 廠牌：多聯科技 型號：AD-10 成份：TMAH 2.38% 硬烤 溫度：120℃ 時間：90 秒 加熱形式：熱板接觸式加熱

第四章、結果與討論

4.1 光學常數的調控-n&k 分析儀、紫外/可見光光譜儀與

模擬

由於合適的光學常數為相位移光罩對材料特性的首要要求，因此 我們使用 n&k 分析儀以及模擬軟體進行光學常數分析計算，求得各組 薄膜材料的折射率(n)及消光係數(k)。圖 4.1 中顯示在各個反應前趨物配 比下，成長出的薄膜光學常數變化情況；4.1（a）為折射率，4.1（b） 為消光係數；由圖中可以清楚看出，當反應氣體 SiH4比例增加時，折 射率與消光係數皆有升高趨勢，與文獻記載趨勢相符，材質逐漸轉為含 矽量較高的 Si-rich SiNx薄膜［37］。這是個明確且強力的結果，它已 直接證明可以利用這個簡單又有效率的方法來調控薄膜光學特性，使其 適用於不同目的所需之特定波長。 1.5 2.5 3.5 4.5 200 400 600 800 1000 Wavelength (nm) Re fr ac ti ve in de x ( n) SiNx_∞ SiNx_10 SiNx_5 SiNx_2 SiNx_1 SiNx_0.5 SiNx_0.2 SiNx_0.1 圖4.1（a）氮化矽薄膜的折射率(n)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 200 400 600 800 1000 Wavelength (nm) Ext in ct io n coeffi ci en t (k) SiNx_∞ SiNx_10 SiNx_5 SiNx_2 SiNx_1 SiNx_0.5 SiNx_0.2 SiNx_0.1 圖4.1（b） 氮化矽薄膜的消光係數(k) 誠如前述，礙於儀器設備受限，且為力求完整模擬設計與實做驗 證，因此本實驗著重於波長 365 nm 的 i-line 為例，以此波長為本實驗 模擬設計之重點，而相同的結果當然也可以應用於其他如248 nm 或 193 nm 等波長範圍。 參考前述圖 4.1 中資料，整理出各組樣品在波長 365 nm 的光學常 數於圖4.2 所示。從 SiNx_0.1 開始，其薄膜光學常數為（1.853, 0）， 相較於一般氮化矽（Si3N4）的光學常數（2.093, 0），與非晶矽（aSi） 的光學常數（3.903, 2.656），此薄膜光學性質近似為一般氮化矽。此組 薄膜消光係數為 0，於 365 nm 波長完全無吸收，並不適合作為衰減式 相位移光罩的相位移層(Shifter)材料。而隨著 SiH4/NH3比例提高至 0.5 至1（即為 SiH4：NH3=20：40 與 SiH4：NH3=30：30），薄膜開始有些

微吸收，k 值約為 0.002 至 0.06 之間，此弱吸收材料仍不適合作為衰減 式相位移光罩的相位移層材料。直至 SiH4/NH3 比例提高至 5（即為 SiH4：NH3=50：10），此時 k 值為 0.524，方符合作為衰減式相位移光 罩的相位移層材料需為弱穿透的基本要求，而本實驗中其他更高 SiH4/NH3比例的條件也都符合此基本要求。 同時，折射率亦有明顯隨著 SiH4/NH3比例提高而增加的趨勢，由 於衰減式相位移光罩的相位移層材料折射率不能太低，如果太低會無法 於有限厚度內產生足夠的相位差；但是如果太高又會造成製程上薄膜厚 度差異容忍度變差，兩者都是必須一併考量的重要因素。 因此，從圖中結果挑選出 3 組符合上述預期的量測結果，以進行 更仔細的模擬分析，這3 組薄膜樣品在波長 365 nm 的光學常數詳列於 表4.1 中。 0.0 1.5 3.0 4.5 SiNx _0.1 SiNx _0.2 SiNx_0.5 SiNx _1 SiNx _2 SiNx _5 SiNx _10 SiNx _∞ Sample Refracti ve ind ex (n) 0.0 0.5 1.0 1.5 Exti ncti on coeffi cient (k ) n at 365 nm k at 365 nm 圖4.2 在波長 365 nm 時薄膜的折射率(n)與消光係數(k)

表4.1 薄膜樣品在波長 365 nm 的光學常數 樣品 折射率(n) 消光係數(k) SiNx_5 3.171 0.524 SiNx_10 3.514 0.803 SiNx_∞ 4.144 1.080 在計算上述 3 組合適樣品的相位差與穿透率之前，我們先看所有 樣品的膜厚對穿透率的變化關係，圖 4.3 為在玻璃基板上改變薄膜厚 度，波長365 nm 穿透率對薄膜厚度變化關係圖。圖中可以清楚看出薄 膜光學常數改變所帶來的影響，當樣品 SiNx_0.1 厚度增加，其穿透率 並未隨厚度增加而下降，僅因為干涉現象而有週期性的強度變化，而 SiNx_1 與 SiNx_2 雖有穿透率隨厚度增加而下降趨勢，但是因為下降趨 勢緩慢，以致不適合衰減式相位移光罩的相位移層材料使用。 目前商用的衰減式相位移光罩的相位移層厚度約為 100 nm 左右， 穿透率為6%至 18%［32］，以 SiNx_1 與 SiNx_2 在 100 nm 的穿透率 分別為63.4%與 28.4%來看，穿透率明顯過高。 僅 SiNx_5、SiNx_10 與 SiNx_∞在厚度 100nm 時，穿透率為 10.2%、 3.6%與 1.1%，為適合條件。至於圖中 a-Si 的穿透率僅有 0.005%則明顯 過低，雖不適用於衰減式相位移光罩的相位移層材料，但可應用於一般 二元式光罩的遮光層材料。

0 20 40 60 80 100 0 50 100 150 200

Thickness of SiNx films (nm)

Tr an smittan ce at 3 65 n m W L ( % ) _{SiNx_0.1} SiNx_1 SiNx_2 SiNx_5 SiNx_10 SiNx_∞ a-Si 圖4.3 在波長 365 nm 時穿透率對厚度變化關係 我們接著以模擬軟體計算 SiNx_5、SiNx_10 與 SiNx_∞此 3 組適合 條件的相位差與穿透率對厚度的關係，以釐清其變化關係，同時考量相 位差與穿透率，找尋最合適之薄膜條件與膜厚。 由圖 4.4（a）可以看到，SiNx_∞薄膜如欲達到 180°相位差，厚度 約為60.4 nm，此時穿透率為 4.7%。同樣的，SiNx_10 最佳厚度為 75.2 nm，穿透率為 6.5%，見圖 4.4（b）；SiNx_5 最佳厚度為 86.4 nm，穿 透率為11.9%，見圖 4.4（c）。 參 考 2011 年 國 際 半 導 體 技 術 藍 圖 （ International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS roadmap 2011）裡面對於 Att-PSM 光 罩的規範［38］，相位差的誤差容許範圍為±3°。依據這個標準來比較 SiNx_5、SiNx_10 與 SiNx_∞這 3 組樣品，忽略製程中薄膜缺陷造成的 相位偏差，僅考慮薄膜厚度不準度是造成相位不準確的唯一因素，則

SiNx_5 的薄膜厚度變化容許量為 3.2 nm，SiNx_10 的薄膜厚度變化容 許量為2.6 nm，SiNx_∞的薄膜厚度變化容許量為 2.1 nm；這樣的薄膜 厚度變化容許量對於現行的鍍膜技術而言，是可以控制且容易達成的。

以這 3 組樣品來看，因為 SiNx_10 樣品於 180°相位差厚度的穿透

率最接近目前市面上通用之Mo/Si Att-PSM，所以我們選用這個製程條

件，以目標厚度75.2 nm，來製作 Att-PSM 光罩，進行 i-line stepper 曝 光，驗證此薄膜對解析度的增益效果。 0 20 40 60 80 100 0 50 100 150 200 Thickness of SiNx_∞ (nm) T ransmit tance at 365 nm W L (% ) -360 -300 -240 -180 -120 -60 0 Ph ase sh ift (degree) Transmittance Phase shift 圖4.4（a）在波長 365 nm 時，SiNx_∞厚度對穿透率及相位之關係

0 20 40 60 80 100 0 50 100 150 200 Thickness of SiNx_10 (nm) T ransmittance at 365 nm W L (% ) -360 -300 -240 -180 -120 -60 0 Phase shi ft (degree) Transmittance Phase shift 圖4.4（b）在波長 365 nm 時，SiNx_10 厚度對穿透率及相位之關係 0 20 40 60 80 100 0 50 100 150 200 Thickness of SiNx_5 (nm) T ransmit tance at 365 nm W L (% ) -360 -300 -240 -180 -120 -60 0 Ph ase sh ift (degree) Transmittance Phase shift 圖4.4（c）在波長 365 nm 時，SiNx_5 厚度對穿透率及相位之關係

4.2 薄膜沈積速率

上述經由模擬計算得知最佳膜厚，於實際製作光罩之前必須先得 知沈積速率，考量底材會影響薄膜成長速率，我們同時於矽晶圓與玻璃 基板上沈積薄膜，固定製程參數為SiNx_10，只改變沈積時間，分別為 180 秒、210 秒與 240 秒。以 n&k 分析儀以及掃描式電子顯微鏡量測各 成長時間的膜厚，紀錄沈積時間對膜厚關係如圖 4.5，可以清楚看出於 矽晶圓與玻璃基材上薄膜成長速率略有不同，矽晶圓上沈積速率略高於 玻璃基材。而在同一種底材上，短時間距離內，薄膜沈積厚度對時間可 視為線性關係，因此可計算出玻璃基材上，SiNx_10 薄膜沈積速率約為 3.24 Å/sec。換算得知，如欲得到 Att-PSM 光罩吸收層最佳厚度 75.2 nm， 沈積時間為232 秒。

Deposition Rate on silicon y = 3.4925x

Deposition Rate on glass y = 3.2362x 500 600 700 800 900 150 180 210 240 270

Deposition time (sec)

T

hickness (Å)

此外，我們也使用紫外/可見光光譜儀量測試片穿透率於不同沈積 時間的變化關係，由穿透率的變化關係來驗證模擬計算所得最佳膜厚的 準確性。如圖4.6 所示，以空氣作為背景校正，分別利用光垂直入射空 氣及薄膜試片，比較其穿透光強度，取樣波長範圍為200 nm 至 800 nm， 取樣間距為1 nm。由於本次實驗使用玻璃基材，於 DUV 波長範圍穿透 率甚低，加上薄膜吸收影響，因此可以看到在波長300 nm 以下穿透幾 乎為0。但我們仍然可以清楚觀察到於波長 436 nm 與 365 nm 位置，穿 透率隨薄膜厚度增加而遞減。 0 20 40 60 80 100 200 300 400 500 600 700 800 Wavelength (nm) T ra nsm itta nc e (% ) SiNx_10_240s SiNx_10_210s SiNx_10_180s 圖4.6 不同沈積時間的穿透率變化 由於本實驗將以 i-line stepper 進行實際曝光驗證，因此我們進一步 更仔細觀察波長365 nm 位置穿透率對薄膜厚度的變化關係，以為光罩