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研究生: 郭建億
Chien-I Kuo
論文名稱: 深次微米世代微影術底部抗反射層與奈米粒子選區成長之研究
Study of bottom antireflective coating layers for deep sub-micron generation lithography and selective growth of nanoparticles
指導教授: 朱鐵吉
Tieh-Chi Chu
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 生醫工程與環境科學系
Department of Biomedical Engineering and Environmental Sciences
論文出版年: 2003
畢業學年度: 91
語文別: 中文
中文關鍵詞: 抗反射層化學增幅型光阻金奈米粒子選區成長
外文關鍵詞: anti-reflective coating, chemical amplified photoresist, gold nanoparticles, seletive growth
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  • 本篇論文中,共包含兩個部分,第一部分研究以感應耦合式電漿源成長低介電常數碳化矽薄膜,作為在未來真空紫外光波段(F2準分子雷射,波長為157nm)與深紫外光波段(ArF準分子雷射,波長為193nm)光阻底部抗反射層,在阻劑下加上此抗反射層可以有效降低來自底材的反射率,而且還可以適用於各種不同高反射率的底材如鋁、銅、複晶矽等等,除此之外薄膜並無鹼性氣體(NH3)的釋出而傷害到化學增幅型光阻,本抗反射層經氧電漿表面修飾後薄膜均勻性佳,因此不會產生凹缺效應(notching effect),其次薄膜的其他特性如機械性質、化學性質與物理性質等,論文中皆有詳細探討。
    論文的另一部分為研究金奈米粒子沉積時受各種不同二氧化矽薄膜底材的影響與結合光學微影技術來選擇區域成長,研究中發現薄膜表面的粗糙度對於金奈米粒子的吸附扮演著極重要的角色,而薄膜含氧的比例也會對金奈米粒子密度有一定的影響。此外,由可見光-紫外光光譜儀中可以觀察出金奈米粒子在經過乙醇清洗去除光阻後其表面電漿共振特性吸收峰並不會有所變化,因此透過光學微影方式我們可以快速的製備高密度,高均勻性、高品質且任意定義金奈米粒子排列圖案於晶圓上。


    In this thesis, our study contains two parts. First, low dielectric constant silicon carbide films were deposited by inductively coupled plasma to make a bottom antireflective coating layers for vacuum and deep ultraviolet lithographies. We can reduce the reflection from substrate dramatically after adding thin films. In addition, this BARC can be used for various highly reflective substrates such as Al, Cu, TaN, poly-Si, Pt, and W. This BARC film will not degrade chemical amplified photoresist because of no alkaline gas desorption during the post exposure bake procedure. This BARC was also modified the surface to form gradient absorption optical film by oxygen plasma treatment.
    The second part, we study that different substrates influence gold nanoparticles deposition and combine with optical lithography to form pattern. We find that gold nanoparticles deposition has something to do with roughness of topography. And the density of gold nanoparticles relates to oxygen composition of substrates. Besides, by using UV-vis spectrometer the peaks of surface plasmon resonance don’t shift after rinsing alcohol but sulfuric acid shift. Therefore, we can pattern high uniform, high density and good quality gold nanoparticles rapidly by virtue of conventional optical lithography.

    目錄 頁次 目錄……………………………………………………………I 圖目錄…..……………………………………………………VI 表目錄………………………...……………………………XI 第一章 緒論…………………………………………….…….1 1.1 前言……………………………………………….……1 1.2 研究動機與目的………………………………….……3 1.3 研究內容………………………………….……………5 第二章 基本原理………………………………….………….7 2.1 微影製程技術………………………………….……..7 2.1.1 塗底………………………………….………….………...7 2.1.2 光阻塗佈………………………………………….……...8 2.1.3 軟烤.………….………………………………….…….…8 2.1.4 對準及曝光…………………………………….…….…..8 2.1.5 曝後烤…………………………………………….……...9 2.1.6 顯影……………………………………………….….…..9 2.1.7 硬烤…………………………………………….…..…….9 2.2 解析度加強技術……………………………….……10 2.2.1 駐波效應………………………………………….…….10 2.2.1 凹缺效應…………………………..……….……………12 2.3抗反射層原理………………………………….….…13 2.3.1 底部抗反射層……………………………….……….…..15 2.3.1.1 多層底部抗反射層…………………………….…....16 2.4鹼性污染對化學放大型光阻影響…………….….…17 2.5鑲嵌製程技術…………………………….……….…19 2.5.1 自我對準型……………………………………….……..21 2.5.2 雙鑲嵌未來技術發展……………………………….….21 2.6奈米分子自組裝技術………………………….….…22 2.7奈米粒子的製備與利用………………………...……23 第三章 深紫外/真空紫外光光阻底部抗反射層……....…...25 3.1實驗材料…...……….……………..…………………25 3.1.1 化學藥品……………………………………….………..25 3.1.2 儀器設備簡介…………………………………………..27 3.1.3 模擬軟體………………………………………………..28 3.2 光阻內的駐波效應…………….………..…..……...28 3.2.1 轉速與厚度關係…………………………….………….29 3.2.2 反射率對厚度的關係圖………………….…….……….31 3.3 光學性質的研究…………………………….………32 3.4單層碳化矽薄膜抗反射層研究……………….……34 3.4.1 單層薄膜厚度對空氣最佳反射率……………….……..34 3.4.2 單層薄膜塗佈阻劑內駐波效應……………….……..…36 3.5電漿改質碳化矽的研究……………………….…….38 3.5.1 不同氧電漿功率改質後反射率………….……….…….38 3.5.2 電漿處理對表面粗糙度影響……………….……..……39 3.5.3 電漿處理前後鍵結分析…………………….…..………41 3.5.5 介電常數量測…………………………….…….………41 3.5.6 氧電漿處理前後成分分析…………….………..………43 3.5.7 蝕刻特性的研究…………………………………….….44 3.5.8 多層抗反射層的應用……………………….………….45 3.6 碳化矽薄膜的研究…………………….…….……...47 3.6.1 碳氧化矽的研究…………………………….…………47 3.6.2碳氧化矽的鍵結…………………….………………….48 3.6.3碳氧化矽薄膜塗佈阻劑後駐波效應……….………….49 3.7 機械性質…………………………….………………51 3.7.1 應力……………………………………….……...…….51 3.7.2 附著力………………………………………………….51 3.7.3 接觸角………………………….………………………52 3.8熱穩定性…………………………………………….52 3.9 3MS-based 薄膜應用於不同底材下反射率..…..…56 第四章 金奈米自組裝探討……………………….………...58 4.1實驗器材………………………….…………………58 4.1.1 化學藥品…………………………………….…………58 4.1.2 儀器設備簡介………………………….………………59 4.2 二氧化矽薄膜……………………………….………61 4.3金奈米粒子吸附現象……………………………….62 4.3.1 合成金奈米粒子……………………………………….63 4.3.2 原生氧化層金粒子吸附……………………………….64 4.3.3 TEOS-氧化層金粒子吸附………………….…………65 4.3.4 SiH4-based氧化層金粒子吸附………….……………..65 4.3.5 熱氧化層金粒子吸附………………………………….69 4.3.6 SiO2 凝膠……………………………………………....70 4.3.7 不同底材吸附探討…………………………….………70 4.4 光學微影應用:選區成長金粒子……………..…73 4.4.1 選區成長………………………………………………74 4.4.2 金粒子表面電漿共振………………..…………….…..76 第五章 總結………………………………………..................79 參考文獻………………………………………….…………...82 圖目錄 頁次 第一章 圖1.1 微影工具趨勢圖………………………………..……………..3 第二章 圖2.1 微影製程流程圖……………………………………………....7 圖2.2 入射光與反射光多重干涉現象…………………….………..11 圖2.3 駐波效應引起光強度變化…………………………………...11 圖2.4 光阻內駐波效應側壁輪廓圖…………………………...........11 圖2.5 不平坦底材造成凹缺效應…….……………………………..12 圖2.6 (a)頂抗反射層與(b)底抗反射層之膜層結構示意圖….15 圖2.7 多層底抗反射層結構圖………………………………….…..17 圖2.8 化學增幅型光阻受鹼性物污染示意圖……………………...18 圖2.9 T型頂與底腳現象……………………………………………19 圖2.10 雙鑲嵌結構製程步驟………………………………………...20 圖2.11 自我對準型雙鑲嵌結構製作流程……………………….…..22 圖2.12 金奈米粒子被包覆現象……………………………………...23 第三章 圖3.1 HSQ轉速對厚度關係..………………………….…………...30 圖3.2 DHA-1000轉速對厚度關係………………………….….…..30 圖3.3 157nm反射率駐波的變化…………………………………...31 圖3.4 193nm反射率駐波的變化……………………………...........32 圖3.5 單層碳化矽光學係數………………………………….……..33 圖3.6 碳氧化矽薄膜於150nm至160nm的光學常數……….……..33 圖3.7 碳氧化矽薄膜於192nm至200nm的光學常數………….…..34 圖3.8 157nm厚度對空氣最佳反射率………………………….…...35 圖3.9 193nm厚度對空氣最佳反射率………………………………36 圖3.10 HSQ/單層碳化矽在157nm的反射率……………….………37 圖3.11 DHA-1000/單層碳化矽在193nm的反射率………….…….37 圖3.12 O2電漿處理前後反射率頻譜………………………………..39 圖3.13 未轟擊前表面粗糙度………………………………...………40 圖3.14 轟擊後表面粗糙度………………………………….………..40 圖3.15 碳化矽被氧電漿處理前後鍵結變化……………….….……41 圖3.16 多層碳氧化矽薄膜電容電壓特性曲線…………………...…42 圖3.17 未被氧電漿轟擊前成分分析……………………….….…….43 圖3.18 氧電漿轟擊後成分分析……………………………….….….44 圖3.19 多層碳化矽薄膜與熱氧化層兩著蝕刻速率的比較…............45 圖3.20 電漿處理過後碳化矽在157nm的反射率駐波圖…….……..46 圖3.21電漿處理過後碳化矽在193nm的反射率駐波圖…………….46 圖3.22 各種氣體流量比的反射頻譜…………………………………48 圖3.23 碳氧化矽鍵結情形……………………………….……………49 圖3.24 HSQ/碳氧化矽在157nm的反射率駐波圖…………….……50 圖3.25 DHA-1000/碳氧化矽在193nm的反射率駐波圖………..….50 圖3.26 矽空片背景值…………………………….……………………54 圖3.27 單層碳化矽薄膜的釋氣.............................................................54 圖3.28 多層碳化矽薄膜的釋氣………………….……………………55 圖3.29 碳氧化矽薄膜的釋氣…………………….……………………55 圖3.30 氮氧化矽薄膜的釋氣..………………………….……………56 第四章 圖4.1 金奈米粒子吸附方法示意圖……………………….…………61 圖4.2 實驗流程圖…………………………………………….……. ..63 圖4.3 原生氧化層金粒子的吸附 ……………………………. …….64 圖4.4 金粒子平均粒徑(22.52nm)與標準偏差大小(3.07nm)……….64 圖4.5 TEOS-氧化層金粒子的吸附……………………………….…65 圖4.6 粒徑分佈與標準偏差………………………………………….65 圖4.7 SiH4:N2O=1:1 SEM圖……………………………….……..….66 圖4.8 SiH4:N2O=1:25 SEM圖…………………….……………….…66 圖4.9 SiH4:N2O=1:0 SEM圖………………….…………….………..67 圖4.10 SiH4:N2O=10:1 SEM圖……………………………..………….67 圖4.11不同氣體流量比粒徑分佈與標準偏差 (a) 1:1 (b)1:25 (c)1:0 (d)10:1…………………………………………………………………..67 圖4.12 薄膜的光學係數………………………………………………68 圖4.13金粒子在360*360 nm的粒子數目…………………………...68 圖4.14 乾氧化層金粒子吸附…………………………………………..69 圖4.15 濕氧化層金粒子吸附…………………………………….……69 圖4.16為熱氧化層金粒子吸附 (a)乾氧化層 (b)濕氧化層..............69 圖4.17 Porous SiO2 金粒子的吸附……………………………………70 圖4.18 AFM的平面圖 (a) SiH4:N2O = 1:1 (b) SiH4:N2O = 1:25…..71 圖4.19 (a)表面轟擊後金粒子吸附情形 (b)轟擊過後的薄膜表面粗糙度………………………………………………………………………..72 圖4.20 金粒子選區成長流程圖………….……………………………74 圖4.21 G-line 系統選區成長的SEM圖(a) 低倍率的SEM圖 (b)五萬倍下的SEM圖…………………………………………………….…75 圖4.22 為I-line 系統選區成長的SEM圖 (a) SEM圖所示為各種線寬大小 (b) 0.35μm 的線寬 (c) 1μm的大小 (d) 0.35μm的尺寸 …………………………………………………………………….…….76 圖4.23 浸泡硫酸30秒後的SEM影像圖………….………….……..77 圖4.24浸泡硫酸後的影像 (a) 浸泡5分鐘後的SEM影像圖 (b) 浸泡25分鐘後的SEM影像圖……………………………………….…..77 圖4.25 金粒子吸收峰與浸泡過乙醇後的表面電漿共振圖譜…….....78 圖4.26 金粒子受硫酸浸泡後的表面電漿共振圖譜…………….……79 表目錄 頁次 表2.1 微影術生產與研發的各式光源………………...……………...8 表3.1 HSQ物質的特性……….………………………………….....25 表3.2 3MS物質的特性…….…………………………………….....26 表3.3 熱脫附-大氣常壓游離質譜儀 (TDS-APIMS)系統簡介……28 表3.4 單層碳化矽薄膜製程參數…………………………………...35 表3.5 氧電漿改質薄膜製程參數…………………………………...38 表3.6 碳氧化矽薄膜成長條件參數……………………...…………47 表3.7 不同底材阻劑/抗反射層間反射率…………………..………57 表4.1 G-line 光阻混合物………………………………..…………58 表4.2 I-line 光阻混合物………….……………...…………………58 表4.3 PECVD製程參數…………………………..…….…….….…65 表4.4 HDPCVD製程參數……………………………………….….67 表4.5 各種氧化層金奈米粒子沉積密度…………………………...73

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