半導體微影製程技術（lithograpy）在IC製造中一直扮演著舉足輕重的角色，隨著IC產品技術需求的提升，半導體微影製程技術也需不斷地提高解析度，以製作更微小的線寬特徵尺寸電晶體，這是因為IC的密度越高，其操作速度越快，而平均製造成本也越低，因此半導體廠商無不絞盡腦汁要將半導體製程的線寬縮小，以便在晶元上塞入更多電晶體。

故事起源與榮耀

半導體微影製程的原理是在晶片上覆蓋一層感光材料，使來自光源的平行光經過光罩，打在感光材料上，光罩上的圖案將反射入射光，而透過光罩的光束就具備與光罩相同的圖案，進一步使晶片上的感光材料進行選擇性的感光。於是光罩上的圖案便完整的傳遞到晶片的感光材料上，此即為所謂的曝光(Exposure)步驟。於曝光之後，再經過顯影(Development)程序，就如同洗相片一般，光罩上的圖案則成功的轉移至感光材料上。

因此，微影製程技術(Lithography)在半導體製程上的定義，是指以各種光源，例如光子束（包括可見光、近紫外光(Near Ultra-Violet，NUV)、中紫外光(Mid UV，MUV)、深紫外光(Deep UV，UV)、真空紫外光(Vacuum UV，VUV)、極短紫外光(Extreme UV，EUV)、X光(X-Ray)等光源），經由光罩(Mask)對晶圓(Wafer)上之阻劑照射；或以電子束（例如高能電子束，25~100 keV)、離子束（例如鎵離子(Ga+)聚焦離子束，10~100 keV），經由光罩、模版(Stencil)對阻劑照射；或不經由光罩、模版，對阻劑直接照射（直寫），使阻劑產生極性變化等化學作用，經顯影後將光罩、模版或直寫之特定圖案轉移至晶圓。而此特定之圖案可供後續半導體製程，如離子佈植、金屬蒸鍍，電漿蝕刻等之用。

2010年2月20日，國際光學工程學會，SPIE(註1)，於年度大會中頒發第7屆澤尼克獎(Zernike Award)給該年度的風雲人物 - 雷文生博士，Dr. Marc David Levenson，以表彰雷文生博士在「相位移光罩」(Phase Shifting Mask)方面的發明創見對於改良半導體微影製程技術之卓越貢獻。在隨後的研討會中，知名廠商Intel更指出，該公司自研發0.18微米(180奈米)製程技術開始，已經利用該相位移光罩技術生產了超過10億顆晶粒。

相位移光罩，又稱雷文生光罩，是雷文生博士於1980年代初期在IBM的聖荷西實驗室中研發出來的成果，對於半導體微影製程的改良，產生了劃時代的貢獻，IBM公司即於1983年將該發明申請歐洲專利（EP 0090924 B1），並於1987年獲得專利證書。雷文生博士繼續在該技術領域研發，後續於歐洲與美國已取得十餘個發明專利(註2)。

雷文生博士的學術背景相當優異，1967年畢業於麻省理工學院，1972年獲得史丹福大學博士學位，又於哈佛大學做過博士後研究，再進入南加州大學擔任物理與電機工程學系副教授，1979年才加入IBM San Jose 實驗室。雷文生博士的研究專長在於量子光學與雷射應用，其著名的學術著作為“Introduction to Nonlinear Laser Spectroscopy”，書中即介紹了相位移光罩的概念。同時，雷文生博士也擁有IEEE，OSA，APS，SPIE以及美國國家工程學院（National Academy of Engineering）等學術機構的院士資格。

歷史轉折與回顧

在此次年度大會中，媒體記者為雷文生博士做專題採訪時，已年近古稀的雷文生博士依舊言詞犀利如常，當記者問到當年是否有人和你同一時間進行相位移光罩的研發計畫時，雷文生博士回答說，我不記得當時有任何人也做這個研究，我只記得在我首次發佈論文之後，Nikon有個日本人某某，一副鬼鬼祟祟的樣子(“in a pure stealth-mode”)跑去與Fairchild公司打聽這方面的消息。同時，話鋒一轉，雷文生博士提及另一項科技，全像術資料儲存（Holographic Data Storage)技術(註3)在不久的未來將大有可為。

記者又問您是否對於目前相位移光罩技術受業界高度重視一事感到驚訝時，雷文生博士卻道出不為人知的內情:「可惜當年的IBM高層並不重視這件發明，25年來，我們的努力和成果都很有限，如今可說是悔之晚矣!」 (參考原文: http://www.betasights.net/wordpress/?p=923)

依筆者所知，雷文生博士的言外之意頗為明顯，因為首次將相位移光罩技術發揚光大的廠商就是日本的日立（Hitachi）和NEC。90年代，日商利用該類技術壯大了記憶體產品市場並迫使美商，如Intel等，放棄記憶體產品的生產，而轉向專攻CPU產品市場（當然，對於個別廠商Intel來說，這事反而是因禍得福）。我們若回顧IBM所犯過的決策錯誤，最顯著的案例莫過於忽視個人電腦的市場潛力，致使電腦王國的榮銜拱手讓與了Microsoft和Intel（形成PC界所謂WinTel生態圈），想不到在半導體微影製程技術方面又增添一樁憾事。

因此，我們可知雷文生博士並未因為這項發明而受到公司重視，相反地，他在1993年已經離開了工作14年的IBM公司。此次SPIE在頒獎時並附贈雷文生博士2000美元的獎金，而該筆款項是由知名的光學設備大廠 - 艾司摩爾(ASML)與西盟科技(Cymer)所共同贊助的。

技術內涵與發揚

眾所周知，半導體微影製程的關鍵技術在於步進機的光學鏡片組合，光源波長、光罩和光阻材料、顯影液等。筆者依據相位移光罩技術的關鍵字於USPTO進行檢索，自2000年至2013年8月止，選定8家知名廠商進行專利佈局比較，如下表所示可知，IBM自2000年後，該項技術之競爭優勢已被後起之秀，如韓國三星(Samsung) 和日商Hoya，給迎頭趕上了。（註：台積電於此高度競爭之先進製程技術領域，能勉力維持第四名的成績，與半導體大廠Intel旗鼓相當，實屬難能可貴。）

 
資料來源：USPTO，圖表製作:胡竹林

接著，筆者要為讀者們介紹雷文生博士取得的專利中，最早的一篇「相位移光罩」專利說明書（EP 0090924 B1）的內容如下：

由於先前的二元光罩與其曝光技術無法提供令人滿意的解析度。因此，本發明的主要目的在於提供一個更好的方法，利用光罩上不同透射率的區域之組合成像，藉以提高圖像的曝光解析度，該方法包括，投射光在通過具有透明和不透明區域的光罩時，其技術特徵在於每一交錯的透明區域中，該材料的折射率為n​​1，並且在其餘的透明區域中的折射率為n2，透射性材料在所述的每一個透明區域具有厚度d1，而所述的其餘透明區域之厚度為d2，使得n1d1 - n2d2 =Φλ，其中λ是入射光的波長，Φ是介於1/4和3/4之間的部分，其最佳選擇是Φ為1/2。

該光罩可以是有機或無機的透明材料。例如無機物包括氟化鎂，二氧化鈦和二氧化矽;或有機物，特別是聚合材料，如甲基丙烯酸甲酯。

參照本發明之附圖描述，其中：

圖1是為傳統之二元光罩。 (資料來源:EPO專利號碼EP 0090924 B1)

圖2是為本發明之相位移光罩。 (資料來源:EPO專利號碼EP 0090924 B1)

在這些圖中，E是光的電場振幅，I是曝光的強度。其中I正比於E的平方值。

圖1(b)顯示出傳統投影式曝光工具的情況。對於完全連續的光譜，兩個透明區之間的繞射所形成的建設性干涉強化了遮光區的曝光強度，從而降低了光學系統的解析度。

如圖2(b)所示，當通過二相鄰透明區的光波產生180°的相位差時，其破壞性干涉將會極小化遮光區的曝光強度。因此，在任何給定的光學系統中，投影圖像的傳輸將具有更好的解析度和更高的對比度，同時也可在近接式曝光製程中增加光罩和晶圓之間的距離。

在圖1所示的實施例中，透明光罩11包括帶有沉積鉻形成不透明的遮蔽區13之玻璃基板12。入射光是連續的單色雷射光。圖形（a）表示光波離開光罩時，電場向量E的幅度。圖形（b）表示在晶片上，光阻劑接受曝光處理的圖像平面。圖形（c）表示在圖像平面上的曝光強度，可以看出在二個主峰之間產生一個約為3/4的峰值幅度。

在圖2所示的實施例中，顯示了透明光罩2 1包括帶有不透明的鍍鉻區域23之玻璃基板22。所示的兩個相鄰透明區24和25，其中區域24具有不同光學特性。這種差異是引入覆蓋層26涵蓋透明區24與不透明區23的相鄰邊緣。層26的透明材料是相對於空氣，具有不同折射率的材料。在這個例子中，該材料是甲基丙烯酸甲酯。

在圖2中可以看出2個主峰之間的能量強度基本上減小到零。因此，兩區24，25之間的圖像存在明確的解析度。同時，在圖2中所示的光罩上可包括多個如區域24，25的相鄰區。

透明層26的厚度（d）垂直於所述玻璃基板之間的區域24，25，依關係式

其中n為透明層26之折射率，λ為光的波長，在這個實施例中，Φ的值為1/2。
透明層26可以位於光罩透明區域的上側或下側，其典型的製程步驟如下：
1.先鍍鉻膜於基板上，再塗佈光阻劑。
2.利用曝光強度定義圖案層。
3.進行光阻顯影製程。
4.以蝕刻製程去除鉻和多餘的光阻劑。
5.塗佈光阻劑於相位移層。
6.進行相位移層曝光。
7.進行光阻顯影製程。
8.以蝕刻製程去除多餘的基材。
9.去除相位移層上的光阻劑。

雷文生博士於該專利說明書，將其創見發明詳盡說明如上。其將具有180°的相位差的光波通過二相鄰透明區，產生破壞性干涉作用，使投影之圖像具有更好的解析度和更高的對比度，吾人即能藉以製作更微小的線寬特徵尺寸電晶體於晶圓上。因此，其對於半導體微影製程的改進，貢獻是極大的。

綜合以上的專利說明書內容可知，光罩上的二相鄰透明區域，其間隔距離(spacing)愈小者，對相位移光罩的技術需求即愈強烈。換言之，隨著IC 市場的需求及技術的演進，半導體元件的尺寸大小必須由微米走向奈米，以提供高速度、低耗電量、多功能整合性以及高密度容量等各方面的改進，其所面臨的技術挑戰也更加艱難。

積體電路製程尺寸遵循摩爾定律從過去的0.18微米到現今的20奈米，甚至研發中的14/10奈米，使得當今半導體產業在進行奈米微影製程研發的時候，勢必仍然要仰賴相位移光罩的技術以完成線路佈局的工作。因此，我們在此除了對雷文生博士的先知灼見表示欽佩之意以外，更應該思考如何在相關的技術領域中參考他人專利設計、尋求創新發明，並進行迴避設計、突破市場封鎖，以及加強自我專利佈局與智財的保護，以確保台灣在國際半導體產業中的競爭優勢與地位。

附註

1. SPIE ( The International Society for Optical Engineering，國際光學工程學會) 成立於1955年，是致力於光學、光子學和電子學領域的研究、工程和應用的著名專業學會。它是一個非營利性組織，在全球大約有15000名會員。學會每年舉辦超過350次的國際性技術研討會以及各種短期課程和教學活動，所發表的會議文獻反映了相應專業領域的最新進展和動態，具有極高的學術價值。(資料來源:長亨文化)
2. 以雷文生博士為發明人的專利計有：EP0090924B1，EP0420694B1，EP0131183B1，US6251549，US6496634，US6977135，US6661957，US6479196，US6924081，US6811933，US5644422，US6287732，US6845203。
3. 全像術資料儲存(Holographic Data Storage)技術是利用雷射光束將資料信號以立體燒錄的方式寫入儲存材料中，若以一般光碟片的材料尺寸為例，理論上可以寫入3.8TB的容量，約為現有DVD容量的800倍。(資料來源:Wiki)

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