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作者:
王木俊: 明新科技大學電子工程系 教授
林世杰: 台灣積體電路有限公司 RD/NPTD 經理
新世代積體電路製程技術
~ 第四章 微影模組 ~
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大綱
1 簡介
光阻性質 微米與次微米曝光系統 先進奈米曝光系統與技術 微影模組關鍵因素與考量 2
3 4 5
微影模組技術的趨勢 6
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奈米轉印微影技術
• 奈米轉印微影技術(Nano imprint lithography) 主要包含兩個步驟:
– 壓印(Imprinting)與
– 圖案轉移(Pattern transfer)，如圖4.19所示[15]。
圖4.19 奈米轉印微影技術示意圖
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奈米轉印微影技術 (2)
• 在壓印的過程中，將一個表面具有奈米結 構圖案的模子壓印在一個薄阻劑膜上，在 圖案轉移過程中，
• 利用非等向性蝕刻(Anisotropic etch)的步驟 (諸如:活性離子蝕刻， Reactive ion etch, RIE) 來去除殘餘在擠壓區之殘餘阻劑，此步驟 的目的乃是轉移具高度差之圖案到整層阻 劑，以增加阻劑的深寬比。
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奈米轉印微影技術 (3)
• 在壓印的過程中，熱塑性阻劑被加熱至超 過阻劑本身的玻璃轉換溫度(Glass transition temperature, Tg) ，在此高溫下，熱塑性的 阻劑變成黏度低且可流動的液體，因此阻 劑形狀可以被母模的形狀所成形，熱塑性 阻劑的黏度會隨著溫度升高而降低。
• 相較於傳統的光學微影方法，奈米轉印微 影技術不會有光波在阻劑中的折射、散射 與干涉等效應，也沒有電子束在基材中的 背向散射(Back scattering)問題。
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奈米轉印微影技術 (4)
• 此外，奈米轉印微影原理上也不同於利用 軟模(Stamp)與自組裝薄膜的微接觸式壓印 微影，奈米轉印微影較偏向利用機械與物 理的方法來定義圖案，而非化學式的微接 觸式壓印微影。
奈米轉印微影製程條件
• 奈米轉印微影技術之母模通常利用氧化矽或矽作 為材料，其母模製作是利用高解析的電子束微影 技術配合活性離子蝕刻製作而成的。
• 阻劑通常是使用熱塑的聚甲基丙烯酸甲酯
(Polymethylmethacrylate, PMMA 又稱為 Acrylic)或 Novolak樹脂為主要材料，其中PMMA對奈米轉印 微影具有較佳的物理特性，例如PMMA本身具有 較小的熱膨脹係數(Thermal expansion coefficient,
~ 5 x 10-5/oC)與較小的壓力縮減係數(Pressure shrinkage coefficient, ~ 3.8 x 10-7/psi) 。
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• 在壓印過程中，也常添加脫模劑至阻劑中，
以降低在母模與阻劑分離時之附著力。
• 壓印的過程中的溫度與壓力決定於阻劑本 身的特性。
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奈米噴印成像技術
• 依照國際半導體技術藍圖(ITRS)的規劃，2017 年預 計開始進入 16 奈米的元件世代，其中微影技術是 被認為此世代最重要的製程開發技術之一，特別 目前研發中的超紫外光（EUV）與電子束（e- beam）曝光技術，但是兩者仍存在許多難題尚待 解決。
• 而對於使用光阻與光罩進行製程的EUV 技術，機 台設備單價高達15億台幣以上(~ 五千萬美元)，而 EUV 量產光罩製作也相當困難，一套光罩售價將 高達 2 億台幣或以上，歸屬於非常昂貴的微影製 程生產技術，所以無需光罩的電子束微影技術
（Electron-beam lithography, EBL）即具備很好的 吸引力。
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奈米噴印成像技術 (2)
• 此兩種微影技術都必需透過光阻作為成像 媒介，其曝光過程時，鄰近圖像成型易受 到光學近接效應（Proximity effect）或電子 散射影響的干涉作用，對於得到高密度圖 案與高解析度的成像，從而產生許多嚴格 的挑戰。
奈米噴印成像技術 (3)
• 為了突破此瓶頸，無需使用光罩與光阻的成像技 術，稱為奈米噴印成像技術（Nano-injection lithography，NIL）已被開發出來。
• 奈米噴印成像技術原理是利用控制電子束的能量 與噴入基板表面的氣體由其化學反應來產生薄膜 材料(如圖4.20)，使用此薄膜沉積作為抵擋蝕刻過 程所需的硬阻擋層（Hard mask），
• 而電子束輔助化學反應可以根據不同應用而選擇 使用不同的前驅氣體，產生不同性質的薄膜材料:
– 如氧化物（Oxide）或是 – 金屬（如鉑或鎢）薄膜。
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圖4.20 NIL原理與流程圖: (a) NIL原理: 硬阻擋 層直接成像; (b) NIL製作奈米線的流程圖
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奈米噴印成像技術 (4)
• 由於沒有一般傳統成像技術的近接效應，能夠提 供快速、高鑑別率和高密度的硬阻擋層圖形，而 後只需對硬阻擋層圖形直接做蝕刻製程便完成整 個奈米線成像結果，利用該技術可從目前超過10 個製程步驟的傳統光學成像及5個製程步驟的傳統 電子束成像，降低到僅需1個微影製程步驟。
• 綜合該技術所提供三個關鍵特色：無需使用光罩 和光阻、去除光學及電子束產生的近接效應及大 幅簡化傳統微影成像製程步驟。
• 讓 16 奈米元件除了製作成本昂貴的E-Beam、EUV 機台及模具製作困難的奈米壓印等成像技術外，
有了新的選項。[22]
Ref.: 國家奈米實驗室(NDL) report
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奈米噴印成像技術 (5)
• 也由於「奈米噴印成像技術」採用類似最便宜的 印刷方式，無需使用光阻及光罩，可省掉昂貴的 光罩製作費用，和非常複雜的光阻干涉現象。
• 確實能夠為16奈米以下世代，半導體微影成像技 術提供新的選擇，一個16奈米實驗型的 6T-SRAM (6個電晶體組成之靜態隨機存取記憶體)基本晶胞 單元圖案已於2009 IEDM國際研討會中被發表出來 [16]。
• 此技術也由於機台構造較簡單，可輕易突破傳統 光學微影成像在10奈米左右的物理極限，並可延 伸至5奈米的終極元件尺寸[23]，實在是先進積體 電路元件製程的重大突破性創新。
奈米噴印成像技術 (6)
• 但良率與產品產量(product throughput)有需 要進一步的提升，這需要半導體廠與設備 商一齊努力來達成。
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超紫外光(EUV)微影技術
• 由圖4.21電磁波的波長與頻率的關係圖可知，
頻率愈高; 波長愈短。 透過方程式(4.1)可知，
短波長能帶來較好的解析度，因此由表4.2 可知曝影光源的發展源由。
• 而NA值方面，由早期的0.3，進步至現今的 0.93或以浸潤式曝影技術的1.35;
• 在 K1值上，藉由透鏡系統的設計、光罩圖 案的佈局技術、光阻劑的製程改善等方法，
皆可降低其值以改進解析度。
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圖4.21 電磁波的波長與頻率之關係圖
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表4.3波長13.5奈米之奈米製程技術世代時期、
NA值與相對應之K1值之預估表。 藍色字代表可 行性低。
超紫外光(EUV)微影技術 (2)
• 為了能導入量產，荷蘭ASML公司已於2003 年致力於極短波長(l=13.5nm)曝影EUV微影 技術之開發，從概念的驗證、系統的研究、
效能的評估、進而規劃推進至量產，此技 術已有長足的進步。
• 已在2009年底推出第一部可EUV的微影系統 原型機，適用於32奈米以下世代，三星, Intel和台積電等一線大廠已於2011年陸續裝 機於其12吋廠內(機台名稱: ASML
TWINSCAN NXE:3100超紫外光微影設備)。
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超紫外光(EUV)微影技術 (3)
• 以EUV技術，由於每層之曝影費用，比使用 高折射率液體的浸潤式微影或多重曝影結 合蝕刻製程還低些，因此採用EUV曝影技術 以實現量產，其可行性應更高些。
• 而EUV光的特性，也與一般的光源不太一樣，
被歸類於軟X射線的光源，其光源特性，如 圖4.22 [9]。
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圖4.22 EUV光的光源特性
Photon energy
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EUV基本原理與微影設備設計需求
• 在新世代微影技術之研發上，第一要件為 曝光波長。在選擇時，需考量到光源的穩 定性與再現性、光源之光功率大小、與光 學材料的特性與感光組劑之配合等主要因 素。目前業界選用的EUV光源波長為13.5奈 米，此數值比現有的193奈米曝影縮短近10 倍以上，理論上將大幅地提升解析度。EUV 光源之光子能量約為92電子伏特(eV) ，而 193奈米曝影系統之光子能量約為6.9 eV。
• 當波長範圍確定後，緊接著是考量光源與 光學系統之設計。由於這麼小的波長會被 空氣、石英玻璃與光罩保護膜等吸收，也 可以說是對一般物質穿透率極低，因此光 學系統無法採用傳統的折射式透鏡，設計 上乃改為反射式鏡面。
• 同時為延長反射式鏡面壽命，曝光系統需 在真空中進行。相較於以前的微影技術，
反射式光學與真空系統是EUV製程上的重大 變遷。
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圖4.23 EUV曝光系統簡圖
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EUV曝光系統簡圖
• 顯示出所有光軸路徑上的重要元件，包含 光罩在內均為鏡面反射式的方式。
• 此光學系統大致上可分為:
– 光源系統(Source and collector)、
– 照明系統模組(Illuminator module) 、 – 光罩平台(Reticle stage) 、
– 投射鏡箱(Projection optical box, POB) – 晶圓乘載平台(Wafer stage)。
• 此等模組皆須重新設計與測試，以符合EUV 曝影製程的需求。
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EUV曝光系統的光源與一般傳統設計之 差異
• 在EUV曝光系統的光源，以採用雷射激發電漿技 術(Laser produced plasma, LPP)為主，如圖4.24所 示。
• 在圖4.24的右邊，顯示了三個時期(Gen1, Gen2, Gen3)的光源發展，皆可滿足微影量產時所需的最 低光源功率100W{在(內部中間聚焦焦距:Inter- mediate focus, IF)IF點量測到的}。
• 由圖中的二氧化碳產生的高能雷射(約10 KW)，經 過半球面聚光鏡中心孔洞，撞擊以液態錫(Sn)構成 的水滴狀標靶，激發出13.5奈米之光波，再將光線 透過集光器聚焦在IF點後，射入曝光機台。
• 一個良好的光源系統應該是輸出高能量且 穩定之光波，因能量的高低會直接影響曝 影速率與量產，而波長的不穩定會影響線 幅均勻性(CD uniformity, CDU) 。
• 因此在選用雷射與標靶時，能量的轉換率 (Conversion efficiency, CE)不能過低，而目前 之最佳值約為3~ 4%之間。整體之曝影實體 以ASML之EUV原型曝光機台作例子，如圖 4.25所示。
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圖4.25 ASML之EUV原型曝光機台示意圖 [1] 。
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多重電子束微影技術
• 電子束微影系統(如圖4.26所示)一般應用是 在光罩的曝寫製作，由於其波長甚短(~ 10 nm)，其解析度可至數奈米等級，
• 但缺點是曝寫製作時間過長、電子散射 (electron scattering)與鄰近效應(Proximity effect)現象存在，需作技術上的改善。
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圖4.26電子束微影技術之演進示意圖
多重電子束微影技術 (2)
• 當曝光設備面臨22奈米世代的瓶頸時，除上述的 EUV曝光系統外，「無光罩多重電子束」
（Multiple e-beam maskless system）曝光技術已 成為一個可敬的競爭對手。
• 透過上萬個電子束平行排列作光源掃瞄，產生巨 量的資料，需要精確掌控資料的傳遞。
• 此等工作以前只需一台PC可做的事，現須有大量 的微處理器同步作控制並處理。
• 雖控制的困難度提升，但整體而言，比較起來，
「無光罩多重電子束」技術如果真正能夠量產，
似乎真的比較合乎成本效益。
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多重電子束微影技術 (3)
• 電子束微影技術早在1960-1970年即被發展，最初 的高斯式電子束微影術(Gaussian beam lithography) 是每次射擊(Shot)只有單一電子(Pixel)，雖然解析 度很好，但因曝影速度太慢，不具量產的可行性。
• 之後陸續有遮式電子束微影(Shaped electron beam lithography) 技術被開發，諸如:Fixed shaped beam、
Variable shape beam與Cell shaped beam等，其平 均曝影速度比Gaussian beam技術快1,000倍以上。
• 但此等果效也不過是6吋晶圓產能約2WPH，僅可 應用於光罩曝寫，仍無法應用於晶圓量產上。
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多重電子束微影技術 (4)
• 在1981年，IBM發展了可變軸透鏡技術 (Variable axis immersion lenses, VAIL) 。在 1995年，接著又對此系統作局部改善，稱為 投射微縮可變軸透鏡曝影技術(Projection reduction exposure with Variable axis
immersion lenses, PREVAIL)。此技術之優點 乃在系統透鏡組是可移動的，因此電子束之 中心軸也是可移動的，可以將電子束進行移 動曝光，即具有局部快速掃瞄的特性，可應 用於晶圓量產上。
• 這是電子束投射微影技術(Electron projection lithography, EPL)其中的一種[24-26]。
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多重電子束微影技術 (5)
• 另一種為貝爾(Bell)實驗室在1990年所發明 的，稱為有限角度散射電子束投射微影術 (Scattering with angular limitation projection electron lithography, SCALPEL)，但此技術 與PREVAIL技術皆需光罩，其成像可縮小四 倍。此兩種技術每次射擊出的像素數有107 個之多。
• 對於8吋晶圓可達到曝影25WPH的能力。此 兩種曝影技術示意圖，如圖4.27所示。
圖4.27 電子束投射微影技術:(a)
SCALPEL; (b) PREVAIL
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多重電子束微影技術 (6)
• 而進入2010年後，荷蘭MAPPER微影公司與日本 電子公司(JEOL)在電子束曝寫技術研發上，除了 應用在光罩外，也已開發出可曝寫在12吋晶圓光 阻上。有時考慮量產，會與光學曝影技術搭配使 用。
• 利用光學曝影技術來曝影較大的IC圖案，而較小 的特徵尺寸則可利用電子束曝寫技術來達成。由 於前述之DPT疊對能力的提升與曝影對準技術的 改善，此種混合式的量產概念，有可能是16奈米 曝影製程以下，最符合成本的技術之一。一套 JEOL JBX-9300FS電子束微影製程設備，如圖4.28 所示。
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圖4.28 JEOL JBX-9300FS電子束微影製 程設備之外觀示意圖
Ref.: http://www.jeol.com/PRODUCTS/SemiconductorEquipment/ElectronBeamLithography/JBX9300FS/tabid/152/Default.aspx
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JEOL JBX-9300FS電子束微影製程設備
• 此曝影機台主要分為
– 電子光學系統(Electron optical system, EOS) – 真空平台系統與
– 控制系統三大部份，如圖4.29所示[26]。
• 其較新型機種為JEOL JBX-9300FX。
圖4.29 電子束曝寫示意圖
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微影模組技術的趨勢
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前言
• 在光學微影製程中[27]，方程式(4.1)與(4.8) 是主要決定微影製程的容許範圍(Process window)。
• 在2010年國際半導體技術藍圖(ITRS)中，已 提出至2022年，最具有潛力微影曝影工具 的解決方案，如圖4.35所示。
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圖4.35 ITRS公佈各類微影技術實用可行性
• 以光學微影製程為主軸的開發時 (如圖4.36所 示) ，其可量產的終極極限有可能逼近10奈米 世代，但須有下列幾個主要項目[19]作配合改 進:
– 在光源系統部分(Illuminator)，包括: 波長要短(如EUV光源)、
採用改良後的偏軸(off-axis)式曝光與光偏極化控制等;
– 光罩部分，包括: 相位移光罩(PSM)的採用與光學鄰近效應 (Optical proximity correction, OPC)軟體作修正[28-30];
– 在透鏡部分，拉升數值孔徑(NA)的值與搭配浸潤式的方式;
– 最後一部份，在晶圓部分，使用較先進的光阻劑並佐以抗 反射層的塗佈(Anti-reflective coating, ARC)等。
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