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Pellicle的剖析

 

Pellicle的剖析
Pellicle有一些主要的特徵使其能正確的達到它的功能,典型的Pellicle剖面圖,如圖1所示。


圖1: Cross Section of a Micro Lithography, Inc. (MLI) Pellicle

Pellicle以下就一些特徵做說明:

薄膜
Pellicle上的薄膜(film)提供阻隔外界污染的實體屏障,意即防止微塵或揮發氣體污染光罩表面,同時也因為它的厚度很薄所以在曝光過程中提供最小的焦距變化和穿透率的失真。

生產製程
浸泡式塗佈 (dip-coating)、化學汽相沈積(chemical vapor deposition)、及旋轉式塗佈(spin-coating)都曾經被使用於製造Pellicle薄膜。目前大部分採用旋轉式塗佈來製作 pellicle5,6。 在2003年大小如582 mm x 348 mm的LCD pellicle也是採用旋轉式塗佈來製作。薄膜也可以塗上抗反射材質來提供適當的抗反射特性,抗反射塗佈的製程也可以使用旋轉式塗佈或利用低折射率材質進行真空蒸鍍,其中被用來製作抗反射塗佈及DUV薄膜的氟聚合物(fluoropolymers)可以形成一低能量的表面而且更容易從薄膜上去除微塵。

穿透率及材質
薄膜的穿透率取決於薄膜厚度、抗反射塗佈的類型、薄膜材質對光的吸收度及晶圓曝光機或步進機所使用的光源波長,硝化纖維素(nitrocellulose)是最初被採用的薄膜材質而且這類薄膜是使用於g-line (436 nm) 或 i-line(365 nm)的晶圓曝光機或寬頻投射晶圓步進機。然而,這類材質會吸收小於350 nm的光源波長,因此不能使用低於350 nm的光源波長。纖維酯(Cellulose esters) ,如醋酸纖維素(cellulose acetate)和醋酸纖維素丁酸鹽(cellulose acetate butyrate) ,在300 nm以上有不錯的透光率。而非結晶之氟聚合物材質,如鐵氟龍(Teflon AFR (DuPont ?))或CytopR (Asahi Glass Co. Ltd.)則使用於248 nm和193 nm波長的曝光機,表1及圖2分別表示不同型態的薄膜及穿透率曲線。

Material
Part
No.
Thickness
(£gm)
Double-Sided,
AR Coating
Transmission
Wavelength
(nm)
NC
100
2.85
No
91% (avg)
350-450
102
2.85
Yes
97% (avg)
350-450
105*
2.85
Yes
99.5% (min)
380-420
122**
1.40
Yes
99% (min)
365, 436
CE
201**
1.40
Yes
99% (min)
365, 436
FC
603***
0.81
No
99% (min)
248, 365,436
703***
0.54
No
99% (min)
193, 248, 365

NC = Nitrocellulose MLI U.S. Patent # 4,759,990.
CE = Cellulose Ester MLI U.S. Patent # 5,339,197
FC = Fluorocarbon Polymer MLI U.S. Patent # 5,772,817
Table 1: MLI's Film Specifications


圖2: Typical Transmission Curves

薄膜的材質必須具備適當的均勻度、機械強度、穿透度、及潔淨度來承受不斷將光罩圖案曝光至晶圓上的製程, 特別將一些必需的特徵敘述如下:
  • 透光均勻度—因為大部分的薄膜皆由旋轉塗佈式製作,所以均勻度是指薄膜中心算至邊緣的穿透率變化。
  • 機械強度—膜和黏膠的黏合必須能夠承受由1mm開口或更小的氮氣或空氣槍以任何角度吹出之氣壓。對於使用deep UV pellicle薄膜或抗反射塗佈的氟化物而言,因為薄膜的低表面張力很難找得到一種適合的黏膠來將薄膜黏合到框架上。因此黏膠有時會展現出差強人意的強度或者有限期的黏著強度,對於每個供應商的Pellicle都應該確認黏膠之黏著強度。
  • 使用期限—pellicle的使用期限起伏很大,端賴於薄膜材質及晶圓曝光機所使用的光源(意即光源波長)、 強度及所使用之濾光器,所有使用於Pellicle的材質皆因易於被UV光或氧化作用而退化、或逸出氣體,所以pellicle應是有使用期限的。


抗反射塗層
在pellicle上的抗反射塗層 (Anti-reflective coating (ARC))可以改善整個薄膜的透光率及均勻度,也使透光度對原始薄膜厚度變異有較小的敏感。抗反射塗層可使用無機材質如氟化鈣或是以旋轉式塗佈上氟聚合物,氟聚合物的抗反射塗層有較低的表面張力,因此比無機抗反射塗層更容易將微塵由薄膜上吹除。因為使用於248 nm 及 193 nm的deep UV薄膜為氟聚合物,因此目前沒有使用抗反射塗層。

框架
框架(frame)用於支撐薄膜並貼合在光罩上,它必須是堅固、平整、穩定、無污染及易於檢驗, 典型的材質是陽極處理過的黑色鋁合金。

框架塗佈
目前框架的生產製程會產生一粗糙且不規則表面, 因此需要採用塗佈的方式來取得平滑的框架表面。塗佈的方式會將隱藏在不規則表面上的微塵包覆也使得框架表面的微塵更容易檢驗出來,塗佈的方式通常使用結合黏膠或液體狀的材質來抓住空氣中可能的微塵。Pellicle框架如果沒有塗佈膠體,框架上蘊藏微塵的孔洞可能會釋出微塵而且最後掉落在薄膜上或是光罩上,重要的是塗佈要對Pellicle沒有任何不利的影響才行,舉例來說,液態塗佈(liquid coating)必須是抗UV光且是具極低氣體逸出的材料,以避免薄膜穿透率降低及產生凝結或結晶在光罩表面。圖3及圖4表示無塗佈及有塗佈的MLI pellicle表面狀況。


圖3: Scanning electro microscope picture of a frame without coating


圖4: Scanning electro microscope picture of a frame with coating

透氣孔及過濾網
在空運的過程中,有貼膜的光罩易於因空氣壓力的變化使得膜下的空氣氣體膨脹或收縮7,這將會造成薄膜的損壞或甚至破裂。因此透氣孔(vent hole),意即呼吸孔,就被設計來平衡空運中的Pellicle薄膜內外的壓力差異。早在1980,Intel即使用帶有螺絲帽的透氣孔於Ultratech晶圓步進機光罩的傳送,從這個廠送至另一個廠,後來更進一步由Kasunori Imamura引進將過濾網貼於透氣孔上並申請為專利。

雖然透氣孔加上過濾網可以平衡薄膜內外的壓力,但是透氣孔本身是一個可能讓微塵可以藏匿的地方,甚至是在透氣孔上塗上黏膠,因此除非產品必須空運或使用在不同高度的地方否則不建議使用透氣孔。

此外,在快速貼Pellicle於光罩上的程序也會因為良好貼合力的單層底膠使得密封住一些空氣而造成鼓膜現象,如在框架上打上透氣孔並貼上過濾網將可解決此類問題。至於在環境及光罩盒的氣體逸出的議題上,特別是在DUV的曝光系統, 必須先取得足夠的氣體逸出資料才能決定是否應採用透氣孔的設計,因為外界氣體仍然會透過過濾網污染到光罩。

貼合膠及密封墊
貼合膠是用於將Pellicle貼合於光罩上,而密閉墊則是Pellicle使用前黏附在框架上的墊片。貼合膠的型態可分為有載體及非載體兩種,圖5列出此兩種型態的照片。有載體的貼合膠是一種雙面塗佈的感壓式壓克力樹酯或發泡橡膠黏膠或固態載體,發泡貼合膠早期被廣泛地使用於Pellicle的生產。非載體的貼合膠可貼合於框架上如單層的轉換膠帶或者利用熱融、UV硬化、或感壓式乳化黏膠熔鑄於框架上。兩類貼合膠的厚度大概約為0.10 mm 到 0.80 mm。


圖5: MLI #17 Non-Carrier Adhesive vs. #13 Carrier Adhesive

背膠片
背膠片是由MLI於1982年首先引進且仍為業界廣泛使用。背膠片的目的是貼合於Pellicle的內面來阻隔產品運送過程中漂浮的微塵,而此背膠片將於Pellicle貼合於(mounting)光罩前撕去。


Credit:
Yung-Tsai Yen, Ching-Bore Wang, and Richard Heuser.  "Chapter 19: Pellicles."
Handbook of Photomask Manufacturing Technology. Ed. Syed Rizvi. Boca Raton: CRC, 2005. 399-404. Print.
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