1、第三章微影技術微影 微影微影，簡單來說，是將光源透過有圖案的光罩，將光罩上的圖案完整地傳送到晶片表面所塗抹的感光材料（光阻）上，再進行去除或保留光阻的步驟，以完成圖案轉移。微影技術的解析度限定了半導體元件的最小線寬，而解析度主要由光阻性質與曝光設備及方法來決定。無塵室(Clean Room)無塵室中污染物的控制：1.無塵室溫溼度的控制2.震動的控制3.純水的控制4.粉塵顆粒的控制5.氣體的控制6.電磁波的控制7.靜電的控制8.化學品的控制美國無塵室等級(參照FED-STD-209D)每立方英呎室內之空氣所含有大於或等於0.5m()之微塵粒子顆數 Class 1 不超過1顆 Class 10 不
2、超過10顆 Class 100 不超過100顆 Class 1k 不超過1k顆610製程氣體不純物對製程可能造成的影響製程氣體氣體中的不純物對製程可能的影響 ，Ar破壞氧化薄層品質碳元素導致電流碳元素導致電流易產生晶格缺陷導致漏電碳元素會導致電流在空氣中自燃,自燃後產生二氧化矽顆粒阻塞管道2N22OOH，mnHCCOCO，22OmnHCCOCO，22H，油霧，mnHCCONOOH2222)(4SilaneSiH4SiHCVD低濃度反應後殘留的微影製程步驟圖示光阻(photo resist)1.光組主要由樹脂(resin)，感光劑(sensitizer)，溶劑 (solvant)三種成分混合而成
3、。2.光阻分為正光阻及負光阻兩種(a)正光阻：光阻本身難溶於顯影液，曝光後解離成 小分子，形成容易溶於顯影液的結構。(b)負光阻：曝光後形成不容易溶於顯影液的結構。光阻特性及正負光阻圖示光阻材料的性質:1.敏感度(sensitivity)或稱為感光度2.對比(contrast)3.解析度(resolution)4.光吸收度(optical density)5.耐蝕刻度6.純度(purity)Lift-off 之圖形常見正負光阻表光阻名稱正負光阻敏感度或感光度光學Kodak 747負光阻AZ-1350J正光阻Kodak KTFR負光阻PR 102正光阻電子束COP負光阻GeSe負光阻PBS正光阻
4、PMMA正光阻X光COP負光阻DCOPA負光阻PBS正光阻PMMA正光阻2/9cmmJ2/90cmmJ2/9cmmJ2/140cmmJ2/3.0cmC2/80cmC2/1cmC2/50cmC2/175cmmJ2/10cmmJ2/59cmmJ2/1000cmmJ正負光阻比較微影製程之步驟1.晶片清洗：主要在於清除晶片上之雜質，以利後續之製程。2.去水烘烤：晶片表面上常會吸附空氣中的水分子，在後面升溫的 過程之中，可能形成薄的負氧化層（negative oxide），故在晶片清洗完之後，先將晶片上的水分去除，再 進行下面的製程。3.塗底：在晶片上圖上一層增加光阻與晶片表面附著能力的化 合物。4.上
5、光阻：通常上光阻是使用旋鍍的方式（spin coating）。下列幾項因素會影響光阻是否到達所需的旋鍍厚度：(a)開始時滴入光阻液的量(b)晶片的大小(c)旋鍍機的轉速與轉加速度(d)光阻液的性質，如黏滯性及固體粒子的量(e)所以要慎選光阻液，並配合晶片大小選擇適當的光阻液量，在嘗試調整旋鍍機加速度及等加速度的大小及時間，以達理 想的光阻塗佈厚度上光阻示意圖光阻膜厚度 T光阻中固體粒子含量 C光阻黏性旋轉速度KCT 5.軟烤：或稱預烤（pre-bake），其目的有三：(a)是將光阻液中的溶劑含量由 20至 30降至 4到7%，光阻厚度因此也將減少約 10至 20(b)軟烤有回火（anneali
6、ng )的效果，使光阻平坦化(c)可增加附著力6.對準及曝光：軟烤結束後，將光罩與晶片放置在曝光機上，利用對準 標誌（align-mark）將兩者相對位置進行校準，其方法 為：(a)將晶片利用曝光機進行移動或轉動，使晶片的左右對準標誌 和光罩的對準標誌盡量重合，即完成對準(b)接著按下曝光機上的曝光鍵，可進行曝光工作光罩的對準標誌定位偏移X方向方向旋轉旋轉向外失距向外失距曝光機曝光機的選擇要點(a)解析能力/限制(b)定位精確度(c)污染程度(d)可信賴度(e)產能(f)擁有設備的全部花費曝光機的種類 光學式 非光學式 接觸式 X光 近接式 電子射束 投影式 步進式曝光光源(a)汞燈(Hg)：
7、(b)KrF為光源：產生深紫外光(Deep UV)，用在IC廠0.25m製程(c)Excimer laser(準分子雷射):KrF 248nm、ArF 193nm(IC廠 0.18m製程)等(d)E-beam(電子的物質波)：價錢昂貴，速度緩慢，正設法大量生 產中(e)X光：能量需求很高，價錢昂貴，且光罩需特別製作，多用在 LIGA製程上光線種類波長備註G-line436 nm過去學校常用I-line365 nmIC廠0.35m製程中使用光譜7.顯影：因感光劑在曝光後改變光阻的性質，利用顯影液將要去除的光阻洗掉，完成在光阻上的圖案轉移。下表為常用的光阻及所對應的顯影液：光 阻顯 影 液S181
8、3MF319SJR5700MP450AZ5214EAZ300MIFXP SU-8PGMEAPyralin PI2721(Photosensitive Polymide)DE6180Pyralux PC105 Dry resist filmRiston 4600Dry resist film321COK321COK光阻的顯影(a)過程過程(b)問題問題8.硬烤：經過顯影後的光阻，還需要經過最後的步驟-硬烤，通常也是使用熱墊板。硬烤溫度較軟烤溫度來的高，此溫度高於光阻的玻態轉變溫度（galss transition），故光阻將如溶融的玻璃，表面也將因表面張力而平坦 化。目的如下：(a)將光阻溶劑含
9、量降至最低 (b)增加附著力，避免遇酸時脫落 (c)增加對酸的抵抗力 (d)使邊緣平滑，減少缺陷，如孔隙9.顯影檢查：此項檢查的目的是找出那些不太可能通過微影最終檢查的晶圓片，提供製程效能和製程控制數據，並找出可重新使用的晶圓片。表面乾燥 旋轉 烘烤去除光阻 定位及曝光 顯影及烘烤顯影檢查 剔除不良晶圓 良好的晶圓 再生晶圓的製程迴路10.蝕刻：當顯影檢查完成時，光罩的影像被轉移在光阻層上，此時晶圓準備進入蝕刻步驟，此步驟中影像才是被永遠的轉移在晶圓的表面層。蝕刻（etch)是將晶圓表面的上層材料由光阻圖案的開孔處移除的製程。11.去除光阻：在蝕刻完成之後，晶圓表面層的圖案成為永久固定，而其上
10、方原先用以作為蝕刻之阻隔物的光阻層便無存 在的必要，故可由表面移除。傳統的光阻去除法是用 濕式化學法。通常光阻去除劑(strippers)分成三類：通 用型、正光阻專用型、負光阻專用型，或者可由晶圓 表面的型態來分：金屬或非金屬的。濕式去除法較受歡迎的理由：(a)使用的歷史悠久。(b)價格低廉又有效。(c)可有效的移除金屬離子。(d)為一種低溫製程且不會只晶圓暴露於可能有害的輻射之下。12.最終檢查：基本上這跟顯影檢查是相同的，除了檢查出的不良品大部分是不能修正的嚴重錯誤（不可能重做），唯一例外的是，晶圓若是僅被污染可能重新清潔再重新檢查。最終檢查保證送出晶圓的品質良好，並同時可藉此查驗顯影檢
11、查的效果。一般光罩的製作步驟一步驟二步驟三步驟四步驟四步驟五步驟六步驟七X光深蝕刻光罩的製作步驟一步驟二步驟三步驟四步驟五步驟六：將光阻去除，留下金屬部分，完成光罩的製作：將光阻去除，留下金屬部分，完成光罩的製作步驟七步驟八光罩製作時所需的解析度與聚焦深度或是景深可分由下面兩方程式表示解析度聚焦深度或景深(Depth of Focus)：其中K1是由光阻材料性質與製成所決定的一個常數，NA是曝光鏡片系統的數值口徑(Numerical Aperture)，為入射光波長，K2 為另一個與光阻性質有關的常數。由上兩式可知，K1 越小，可使 R降低，解析度變佳，也可使聚焦深度或景深增加，故一般均致力於
12、降低光阻材料性質K1 數值。NAKR12221221RKKNAKDOF對準與曝光設備1.接觸式對準(Contact align)：此光罩的解析度會受到光的狹縫繞射現象的影響。上圖就是因為光罩上圖形間的縫隙很小，所造成光的繞射現象，而在光阻上形成不理想的分佈。光罩圖形的理論最小線寬 d(theoretical resolution capability)為其中s為光罩和光阻表面的距離，為入射光波長，z為光阻厚度。232minZsd2.近接式對準(proximity align)：為改善接觸式對準有沾上光阻的問題，可將罩與光阻遠離一小 段距離在進行曝光會改善接觸污染的問題。所以上式的z相對於s幾乎
13、可以忽略，故可改成：3.投射式對準(projection align)：為了改善接觸與近接式對準缺點而發展出的投影法。光罩沒有接近晶片，而是類似投影機的原理，將光罩上的圖案投影到光罩上。優點：解析度可以增高、且光罩較不易損壞。sd32min 接觸式對準 近接式對準 投射式對準4.重複步進式對準：光罩的圖形比所要的圖形放大五倍或十倍，光源透過光罩後，在經過適當的聚焦，將比例縮放成為想要的獨大小而投射在部分的晶片上，故整片晶片都要曝光時，得進行重複步進的工作。優點：(a)光罩上的圖形為所要的圖案放大，經聚焦後縮小的 圖形，解析度比傳統1：1更佳 (b)光罩上若有雜質，經縮小轉移後，將降低其影響力重
14、複步進式對準調整轉移方程式From:Brodie,I et al,1982(a)Modulation(b)Modulation Transfer Function藉由調整M我們可以簡單的表示出圖案轉移的品質，我們可以這樣定義：在投射印製圖案時，透鏡的實際使用範圍為R：minmaxminmaxIIIIMNAkR1NA之定義為：經由右圖我們可得：maxsinnNA FDnNA2sinmax曝光法1.光學式微影(Photolithography)(a)利用汞燈做曝光：G-line(436nm)I-line(365nm)(b)準分子雷射(excimer laser)利用鹵素與惰性氣體原子的混合氣體所產
15、生的雷射，利用 高壓放電的激勵過程，魂和氣體會輻射出能量強、振福短 的光。準分子雷射一般較常應用在微影術有下列三種：種類特徵F2ArFKrF波長（nm）157193248脈衝能量（mJ）2.090180最高功率（W）0.4810脈衝持續時間（nsec）10-302.電子束式微影(Electron bean lithography)電子束的光源大致可分為三種：(a)鎢絲光源：不需要高真空度，解析度並不高。(b)鋇酸鑭(lanthanum hexaboride)：利用熱放射陰極管或單晶 硼化鑭做成電子槍產生電子束，透過靜電透鏡或電磁透鏡聚 焦至直徑0.01至 0.01m，掃瞄至所要底材上。電子束的
16、焦 距則可由透鏡的電流所控制。真空度要求也不高，中等電流 密度。(c)熱場發射電子槍(thermal filed emission)：需要高真空度 ，高電流密度，解析度可達 0.005 至 0.1m。3.X-射線式微影(X-ray lithography)X-射線波長4至50 遠短於光學式微影的紫外光，因此繞射的現想減少且能得到較高的解析度。如跟電子束式比較，因X射線微影採用平行曝光，與電子束式採用的順序曝光不同，因此有較快的出品率。X射線光源的有限尺寸（直徑為a）與光罩晶片間的有限間隙g，其結果乃產生半陰影效應（penumbral effect）。光阻影像邊緣的半陰影點（penumbral
17、blur）為:另一種幾何效應為側面放大（lateral mangnification）誤差。光罩的投影影像側移一段距離d，稱跑離(runout)：其中 r為晶片中心的逕向距離ALgaLgrd 各種高級雕像術先進微影技術因應製程微縮能持續的往 0.25m以下，甚至於 0.1 m以下推進，除了曝光設備的改良之外，仍需周邊技術的配合改進，如：光阻，DUV曝光設備，光罩等1.DUV化增型光阻：傳統用於 i 線的光阻，對 248 nm 光源的透明程度很差，因此必須 發展出一種全新的光阻配方，來提升其透明程度，目前採用的是以 “化學增幅型”光阻，英文簡稱為 CA，此型光阻之概念，開始於 1980 年代初期
18、，IBM公司對新光阻之研發，它的成分主要是由“共 聚高分子樹脂 Copolymer Resin”、“光酸化產生體Photo-Acid Generator”、溶劑，以及提升穩定度之添加物2.DUV曝光設備248 nm：(a)光源 248 nm KrF 193 nm ArF 157 nm F2研發階段 KrF，ArF，F2 為Excimer Laser 產生器所使用之氣體(b)OAI “偏軸式照明”的OAI 技術傳統式偏軸式傳統式圓環式OAI四孔式光孔3.光罩技術 I PSMPhase Shifting Mask 光罩“相移式Phase Shifting”技術，最早由IBM Almaden 研發中 心 Levenson 等人提出，藉由光罩上鉻層的改良，可大幅改善解析 度4.光罩技術 II OPCOptical Proximity CorrectionCorner Rounding 的影響 接觸電阻上升傳統式OPC式參考資料:1.莊達人編著，“VLSI製造技術”，高立圖書有限公司2.張俊彥譯，施敏著，“半導體元件物理與製作技術”，高立圖書有 限公司3.Julian W.Garduer et al.“Microsensors MEMS and Smart Devices”，JOHN WILEY&SONS,LTD
