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光罩工業及其製程技術之探討
 

【作者: 王方】   2001年11月05日 星期一

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因為通訊產品和網路的蓬勃發展,上一波經濟成長維持了十年多的景氣榮景。上一波景氣在上一世紀的最後一年之第三季開始走下坡,不景氣時間愈拖愈久,隨著網路泡沫化,不景氣更形嚴重。


美國聯邦準備理事會多次調降基本利率,正要帶來春天的燕子,到太平洋彼岸。不料,2001年9月11日發生紐約世貿中心雙塔被飛機炸彈攻擊事件,財產損失已經夠嚴重,而心理層面的悲觀,促使美國人民與企業減少消費性支出。經濟學評估,911事件將延後美國景氣復甦至少六個月。台灣的經濟景氣循環受美國影響很大,電子產業尤然,可謂如影隨形。


半導體產業現況及趨勢

產值已是全世界排名第四的台灣半導體晶圓業,正處在最寒冷的冬季,台積電與聯華電子產能利用率大為降低,與過去榮景比較,利潤微薄。生產記憶體的晶圓廠更慘,128MB DRAM市場現貨價格由當初每顆20美元,跌落到1美元。


預計2001年將有三到五家公司加入五十億元俱樂部。所以台灣的晶圓廠勢必要檢討公司營運計劃,緩建新廠,減少財務支出。除此之外,現存晶圓廠必須趁不景氣、生產設備使用率低時,利用空擋,開發下一代製程。今年第一季0.18um製程已成為成熟的主流製程,跳躍過0.15um,晶圓廠已加速開發0.13um製程。許多知名的半導體產業研究機構預測西元2003年將走到0.1um製程。


製程研發現況

目前晶圓廠曝光機大多用波長為248 nm的光源,若走到0.1um製程,特別精準層必須開始使用193 nm的光源。事實上台灣已有三到五台193 nm的曝光機,但其微影製程( lithography )尚未開發成熟,若要繼續使用248 nm曝光機,則必需要用相位移光罩,或附有光學近接干擾修正(optical proximity correction,簡稱OPC)圖案的光罩。


光罩工業現況

在1998年左右,台灣新成立三家光罩公司,加上原來的兩家獨立光罩公司(merchant mask shop)及兩個晶圓廠附屬光罩部門(captive mask shop),非常短期間內,因為光罩產能超過需求,流血競爭,許多光罩廠虧損累累。西元2000年是台灣光罩業的整合(consolidation)年,一連串的合併,台灣光罩廠減少為如(表一)所列的五家。


如表所示,光罩產值平均以每年約以60%以上成長。年輕的光罩廠也在2000年時轉虧為盈,並在2001上半年嚐到利潤大幅增加的甜頭。隨著不景氣時間拖得愈來愈長,光罩廠利潤在下半年開始下降。根據現況及景氣不知何時回升,今後一、二年應該不會有新光罩廠加入,否則殺戮戰場又將重現。


(表一) 光罩廠之營業狀況及市場之評估(單位 : 億台幣)
光罩廠 1999營業額 2000營業額 2001營業額預估
台積電 (TSMC) 25 60 100
台灣光罩 (TMC) 15.6 20.7 28.4
中華凸版 (TCE) 5.4 10 15
翔準先進 (PSMC) 4.6 10 16
中華杜邦 (DPT) 4.2 11.3 16
新台科技 (INNOVA) 3.5 NA 0
世大 (WSMC) 2.4 NA 0
TOTAL 61.1 96.5 175.4
<資料來源:各公司、工研院電子所 ITIS 計劃,Apr. 2000>

光罩及光罩製程技術

在光罩的製作技術部分,大致可以分成傳統光罩、相位移光罩技術( Phase Shift Mask;簡稱PSM)、光學近接修正光罩技術(Optical Proximity Correction;簡稱OPC)等三種。


三種技術區別

傳統光罩的精密程度不高,適用微距(critical dimension; 簡稱CD)較寬的製程。相位移光罩是利用不同相位的光源,來消除光之干射及繞射現象,主要功能為提高解析度、及景深(Depth of Focus;簡稱DOF),從而增加微影製程的Process Latitude,被應用在精密程度較高的製程。光學近接修正主要用來修正晶圓微影製程時,因設計線路所在環境不同,而造成晶圓線寬的分布不均,及修正線路端造成線端縮短的現象。


目前各光罩廠正積極開發給0.13um晶圓製程的光罩製程,兩年後就需要0.1um晶圓製程的光罩。當解析度要達到0.4um (0.1 x 4)時,現有的雷射光罩讀寫機(laser writer),無法解析出來,必須使用電子束光罩讀寫機(Electron Beam writer)。並且為了達到嚴謹的線寬均勻度(CD uniform)要求,電子束讀寫機必須在長期間內保持高穩定性曝光(其實是曝電子)能力。市面上已有高穩定性電子束讀寫機,且解析度極佳,這種讀寫機可用來製造型有OPC structures的光罩。


兩種蝕刻法

過去傳統光罩(Binary Mask)都用濕式蝕刻法(wet etch),因為其本身蝕刻特性,用來做0.13um或0.1um光罩相當困難。乾式蝕刻法(dry etch,使用電漿)具有不等向蝕刻(anisotropic etch),small process bias,和較佳的均勻度等長處,被用來製作高階(high end)傳統光罩。乾式蝕刻法也有它的弱點。因為它的製程特性,容易在光罩上造成缺陷,且缺陷數目多,缺點修補困難,若無法修補大缺陷,或修補耗時太多,則必須重做光罩。如何減少缺陷,提高乾蝕刻製程良率(yield),對工程師是一大挑戰。


做到0.1um製程,晶圓廠在關鍵層(critical layers)可能使用193nm的曝光機,如微影製程須要更大的製程操作空間(process latitude),可使用半透光相位移光罩(Half Tone Phase Shift Mask)。業界使用的半透光材料主要是氮氧基矽化鉬(MoSiOxNy),日本供應商已用MoSiOxNy做出6%透光率的空白片(mask blanks),適用193nm波長,唯材料均勻度及缺陷控制,仍待改善。參考(圖一)、(圖二)。


《圖二  傳統光罩製程》
《圖二 傳統光罩製程》

相位移光罩技術

過去晶圓廠都使用半透光相位移光罩在接觸窗(contact)層,最近逐漸開始用到線條(Line/Space)層,如複矽晶(poly)和金屬(metal)層,MoSiOxNy材料只能用電漿蝕刻,加上鉻膜(Chrome film)的乾蝕刻,製程上用兩次乾蝕刻,又是做透光區域大的線條層,光罩上的缺陷自然而然更多、更嚴重。如何開發出高良率的製程,能穩定生產線條層半透光相位移光罩是光罩廠最迫切而嚴酷的挑戰。


除了半透光相位移光罩.另外有一種相位移光罩,就是相交替式相位移光罩(Alternating PSM)。多年前相交替式相位移光罩就被發明,曝光在晶圓上,在某些層表現超過半透光相位移光罩,但一直僅被研發部門試用。相交替式相位移光罩的資料處理複雜,光罩製作上須有精確的層級疊對(overlay)能力,造成180°相位差的石英蝕刻(Quartz etch)要非比尋常的均勻,再加上缺陷和相差缺陷(phase defect)檢驗困難,及缺陷修補困難,其普遍使用受到限制。


發展瓶頸

解析力佳而又穩定的電子束讀寫機造價高昂,而且附有OPC structures用在0.1um製程的光罩,一定造成龐大的資料,曝光於光罩的時間一定很長,急遽增高光罩製作成本。為降低成本,業界朝化學性放大光阻CAR (Chemical Amplifier Resist)製程努力,初步實驗證明CAR的曝光量(dosage)只須ZEP7000的三分之一。CAR製程與ZEP7000製程相當不同,且市面上有各種各樣的CAR特性各不相同,研發人員必須好好計劃實驗,開發出最可行的CAR製程。


高透光率(high transmission,如10%,20%,40%)半透光相位移光罩,也曾被研發部門試用過,但供應商仍不能供應相當高品質的光罩母片(blanks)。


光罩微距 (CD) 愈做愈小,除了製程開發外,光罩檢驗也越來越難。光罩缺陷檢驗機能力要強。何種大小、形態、及落點何處的缺陷,會被曝光印到晶圓上,須要晶圓廠與光罩廠密切合作。AIMS (Aerial Image Measurement System) 和Defect Simulation 將是非常重要的工具。


下一代製程

以上所談是晶圓廠已在大量使用,或是一、二年內可能被生產線使用的光罩,及光罩製程技術。研發部門早已考慮並實驗下一代微影製程NGL(Next Generation Lithography)及光罩製程。比較可能被採用的是極深紫外光微影(EUV)及電子數射微影(EPL)。以作者淺見,NGL仍在研究階段,被正式大量使用,當在五至十年以後。


193nm之後,應是157nm光源,它的研發工作仍在實驗台階段,曝光機鏡頭材料,及光阻成份,仍是未知數。


結論

這一波經濟不景氣促使晶圓廠加速開發0.13um及0.1um製程。為服務客戶,光罩廠必需添購先進機台,特別是穩定而解析力佳的電子束曝光機,與晶圓廠密切合作,共同開發高良率的乾式蝕刻製程,並驗證線條層半透光相位移光罩於193nm曝光機。台灣光罩業必須能製作出與美日頂級光罩廠可以匹敵的光罩,才能維持台灣晶圓廠的競爭優勢。


(作者為翔準先進光罩經理)


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