光罩工业及其制程技术之探讨

因为通讯产品和网络的蓬勃发展，上一波经济成长维持了十年多的景气荣景。上一波景气在上一世纪的最后一年之第三季开始走下坡，不景气时间愈拖愈久，随着网络泡沫化，不景气更形严重。

美国联邦准备理事会多次调降基本利率，正要带来春天的燕子，到太平洋彼岸。不料，2001年9月11日发生纽约世贸中心双塔被飞机炸弹攻击事件，财产损失已经够严重，而心理层面的悲观，促使美国人民与企业减少消费性支出。经济学评估，911事件将延后美国景气复苏至少六个月。台湾的经济景气循环受美国影响很大，电子产业尤然，可谓如影随形。

半导体产业现况及趋势

产值已是全世界排名第四的台湾半导体晶圆业，正处在最寒冷的冬季，台积电与联华电子产能利用率大为降低，与过去荣景比较，利润微薄。生产内存的晶圆厂更惨，128MB DRAM市场现货价格由当初每颗20美元，跌落到1美元。

预计2001年将有三到五家公司加入五十亿元俱乐部。所以台湾的晶圆厂势必要检讨公司营运计划，缓建新厂，减少财务支出。除此之外，现存晶圆厂必须趁不景气、生产设备使用率低时，利用空挡，开发下一代制程。今年第一季0.18um制程已成为成熟的主流制程，跳跃过0.15um，晶圆厂已加速开发0.13um制程。许多知名的半导体产业研究机构预测公元2003年将走到0.1um制程。

制程研发现况

目前晶圆厂曝光机大多用波长为248 nm的光源，若走到0.1um制程，特别精准层必须开始使用193 nm的光源。事实上台湾已有三到五台193 nm的曝光机，但其微影制程（ lithography ）尚未开发成熟，若要继续使用248 nm曝光机，则必需要用相位移光罩，或附有光学近接干扰修正（optical proximity correction，简称OPC）图案的光罩。

光罩工业现况

在1998年左右，台湾新成立三家光罩公司，加上原来的两家独立光罩公司（merchant mask shop）及两个晶圆厂附属光罩部门（captive mask shop），非常短期间内，因为光罩产能超过需求，流血竞争，许多光罩厂亏损累累。公元2000年是台湾光罩业的整合（consolidation）年，一连串的合并，台湾光罩厂减少为如(表一)所列的五家。

如表所示，光罩产值平均以每年约以60％以上成长。年轻的光罩厂也在2000年时转亏为盈，并在2001上半年尝到利润大幅增加的甜头。随着不景气时间拖得愈来愈长，光罩厂利润在下半年开始下降。根据现况及景气不知何时回升，今后一、二年应该不会有新光罩厂加入，否则杀戮战场又将重现。

(表一) 光罩厂之营业状况及市场之评估（单位 : 亿台币）

光罩厂	1999营业额	2000营业额	2001营业额预估
台积电 (TSMC)	25	60	100
台湾光罩 (TMC)	15.6	20.7	28.4
中华凸版 (TCE)	5.4	10	15
翔准先进 (PSMC)	4.6	10	16
中华杜邦 (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

＜数据源：各公司、工研院电子所 ITIS 计划，Apr. 2000＞

光罩及光罩制程技术

在光罩的制作技术部分，大致可以分成传统光罩、相位移光罩技术（ Phase Shift Mask；简称PSM）、光学近接修正光罩技术（Optical Proximity Correction；简称OPC）等三种。

三种技术区别

传统光罩的精密程度不高，适用微距（critical dimension; 简称CD）较宽的制程。相位移光罩是利用不同相位的光源，来消除光之干射及绕射现象，主要功能为提高分辨率、及景深（Depth of Focus；简称DOF），从而增加微影制程的Process Latitude，被应用在精密程度较高的制程。光学近接修正主要用来修正晶圆微影制程时，因设计线路所在环境不同，而造成晶圆线宽的分布不均，及修正线路端造成线端缩短的现象。

目前各光罩厂正积极开发给0.13um晶圆制程的光罩制程，两年后就需要0.1um晶圆制程的光罩。当分辨率要达到0.4um （0.1 x 4）时，现有的雷射光罩读写机（laser writer），无法解析出来，必须使用电子束光罩读写机（Electron Beam writer）。并且为了达到严谨的线宽均匀度（CD uniform）要求，电子束读写机必须在长期间内保持高稳定性曝光（其实是曝电子）能力。市面上已有高稳定性电子束读写机，且分辨率极佳，这种读写机可用来制造型有OPC structures的光罩。

两种蚀刻法

过去传统光罩（Binary Mask）都用湿式蚀刻法（wet etch），因为其本身蚀刻特性，用来做0.13um或0.1um光罩相当困难。干式蚀刻法（dry etch，使用电浆）具有不等向蚀刻（anisotropic etch），small process bias，和较佳的均匀度等长处，被用来制作高阶（high end）传统光罩。干式蚀刻法也有它的弱点。因为它的制程特性，容易在光罩上造成缺陷，且缺陷数目多，缺点修补困难，若无法修补大缺陷，或修补耗时太多，则必须重做光罩。如何减少缺陷，提高干蚀刻制程良率（yield），对工程师是一大挑战。

做到0.1um制程，晶圆厂在关键层（critical layers）可能使用193nm的曝光机，如微影制程须要更大的制程操作空间（process latitude），可使用半透光相位移光罩（Half Tone Phase Shift Mask）。业界使用的半透光材料主要是氮氧基硅化钼（MoSiOxNy），日本供货商已用MoSiOxNy做出6%透光率的空白片（mask blanks），适用193nm波长，唯材料均匀度及缺陷控制，仍待改善。参考(图一)、(图二)。

《图二 传统光罩制程》

相位移光罩技术

过去晶圆厂都使用半透光相位移光罩在接触窗（contact）层，最近逐渐开始用到线条（Line/Space）层，如复硅晶（poly）和金属（metal）层，MoSiOxNy材料只能用电浆蚀刻，加上铬膜（Chrome film）的干蚀刻，制程上用两次干蚀刻，又是做透光区域大的线条层，光罩上的缺陷自然而然更多、更严重。如何开发出高良率的制程，能稳定生产线条层半透光相位移光罩是光罩厂最迫切而严酷的挑战。

除了半透光相位移光罩．另外有一种相位移光罩，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发明，曝光在晶圆上，在某些层表现超过半透光相位移光罩，但一直仅被研发部门试用。相交替式相位移光罩的数据处理复杂，光罩制作上须有精确的层级迭对（overlay）能力，造成180°相位差的石英蚀刻（Quartz etch）要非比寻常的均匀，再加上缺陷和相差缺陷（phase defect）检验困难，及缺陷修补困难，其普遍使用受到限制。

发展瓶颈

解析力佳而又稳定的电子束读写机造价高昂，而且附有OPC structures用在0.1um制程的光罩，一定造成庞大的数据，曝光于光罩的时间一定很长，急遽增高光罩制作成本。为降低成本，业界朝化学性放大光阻CAR （Chemical Amplifier Resist）制程努力，初步实验证明CAR的曝光量（dosage）只须ZEP7000的三分之一。CAR制程与ZEP7000制程相当不同，且市面上有各种各样的CAR特性各不相同，研发人员必须好好计划实验，开发出最可行的CAR制程。

高透光率（high transmission，如10%，20%，40%）半透光相位移光罩，也曾被研发部门试用过，但供货商仍不能供应相当高质量的光罩母片（blanks）。

光罩微距 （CD） 愈做愈小，除了制程开发外，光罩检验也越来越难。光罩缺陷检验机能力要强。何种大小、形态、及落点何处的缺陷，会被曝光印到晶圆上，须要晶圆厂与光罩厂密切合作。AIMS （Aerial Image Measurement System） 和Defect Simulation 将是非常重要的工具。

下一代制程

以上所谈是晶圆厂已在大量使用，或是一、二年内可能被生产线使用的光罩，及光罩制程技术。研发部门早已考虑并实验下一代微影制程NGL（Next Generation Lithography）及光罩制程。比较可能被采用的是极深紫外光微影（EUV）及电子数射微影（EPL）。以作者浅见，NGL仍在研究阶段，被正式大量使用，当在五至十年以后。

193nm之后，应是157nm光源，它的研发工作仍在实验台阶段，曝光机镜头材料，及光阻成份，仍是未知数。

结论

这一波经济不景气促使晶圆厂加速开发0.13um及0.1um制程。为服务客户，光罩厂必需添购先进机台，特别是稳定而解析力佳的电子束曝光机，与晶圆厂密切合作，共同开发高良率的干式蚀刻制程，并验证线条层半透光相位移光罩于193nm曝光机。台湾光罩业必须能制作出与美日顶级光罩厂可以匹敌的光罩，才能维持台湾晶圆厂的竞争优势。

（作者为翔准先进光罩经理）