光微影术

光微影術(Optical Lithography)

隨著科技的進步，微電子工業的製造技術一日千里，其中微影技術扮演著最重的角色之一。只要關於圖形上的定義（patterning），皆需要使用微影技術，本文將對般最常使用的光學微影技術（Optical Lithography）作一簡單的介紹。

所謂的光微影術，簡單的

說就是希望將設計好的線路圖形，

完整且精確地複製到晶圓上。如圖

一所示，半導體廠首先需將設計好

的圖形製作成光罩（photo mask），

應用光學成像的原理，將圖形投影

至晶圓上。由光源發出的光，只有

經過光罩透明區域的部分可以繼

續通過透鏡，而呈像在晶圓表面。

晶圓表面事先需經清潔處

理，再塗抹上類似底片功能的感光

化學物質，稱為光阻劑 (photo resist）。通過光罩及透鏡的光線會與光阻劑產生反應，通常我們稱此步驟為曝光。圖一：為標準光微影製程，曝光源通過光罩、透鏡，最後將光罩圖形成像於晶圓上。(取自Ref. 1)

曝光後的晶圓需

經顯影 ( development )

驟，以化學方式處理晶圓

曝光與未曝光的光阻劑，

可將光罩上的圖形完整地

移到晶片上，然後接續其

的製程。因此在光微影技

中，光罩、光阻劑、光阻

佈顯影設備、對準曝光系

等，皆是在不同的製程中

可以視需要選擇使用不同光阻劑，以移除或保留選

的圖形，類似雕刻中的陰

或陽刻技巧。如圖二所示

右邊使用的是正光阻，經

罩阻擋而未曝光的部份可

保護底下的晶圓，曝光的

份最後則經蝕刻移除；圖

使用的是負光阻，移除的曝光的部份。

圖二：選擇使用不同的光阻劑的製程；右下圖使用的是正光阻，左下圖

使用的是負光阻。 (取自Ref. 2)

一般來說，IC的密度越高，操作速度越快、平均成本也越低，因此半導體廠商無不絞腦汁要將半導體的線寬縮小，以便在晶圓上塞入更多電晶體。然而，光微影術所能製作小線寬與光源的波長成正比(稍後解釋) ，因此要得到更小的線寬，半導體製程不得不波長更短的光源。

如圖三所示，隨著光源波段的不同，製程技術已經由G-line(436nm)、I-l (365nm)的0.35~0.5微米，進展到目前的KrF (248nm)及ArF(193nm)的0.25~0.1微米程技術，雖然原則上可以製造出更微小的電子元件，但伴隨而來的是成本的增加及製程困難。因此，隨著元件尺寸持續縮小，光微影技術已成為半導體製程的最大瓶頸，若法加以突破，半導體工業的發展勢將受到阻礙。

圖三：不同波長的光源，適用於不同的線寬尺寸。光源的能量越高，波長越短，可

製作的線寬越小。 (取自Ref. 3)

根據雷利準則(Rayleigh criterion) ，光學系統所能夠分辨出的最小寬度(

於解析度 )，與光的波長(λ)成正比，而與數值孔徑(NA)成反比，亦即

這就是所謂的「繞射極限」(diffraction limit)。根據這個關係式，若使用較短波長光源，或是數值孔徑(NA)較大的透鏡，理論上可以提高解析能力，換言之可以獲得較小寬。

然而，還有其他因素也必須納入考量。根據雷利準則的另一關係式，

我們發現不論使用波長較短的光源，或數值孔徑較大的透鏡，都會使得聚焦深度(Depth of Focus, DOF)變小。不幸的是，通常聚焦深度越大，越適合量產，所以如善搭配光源與透鏡，既使線寬縮小，又能維持產量，向來是半導體業者最大的挑戰一般來說，半導體業者會先嘗試調整NA來改善解析度，待聚焦深度無法符產條件時，才會想要轉換波長更短的光源。這是因為每換一種曝光源，相關的設備如機台、光阻劑等皆需做相應的調整，會牽涉到大量的人力、物力及時間，困難度很高鑑於此，在進入更小線寬的微影技術領域前，如何善用目前的微影技術(含設備及材料)能進入奈米尺度，成為一個相當重要的議題。

此處我們簡單介紹幾種可以改善目前解析度的方法，包括離軸照明(off-axis illumination ) 、相偏移

光罩 ( phase shift mask ) 以及鄰近效應修正 ( optical proximity correction )。

離軸照明(off-axis illumination)：經由光罩而散射出來的光束，繞射角度相當大，透鏡的數值孔徑必須夠大，才能充分收集這些帶有光罩圖形資料的光束，然而根據(2)式，數值孔徑增加會使聚焦深度減少，反而不利於量產。如果我們能適當地安排使入射光與光罩平面夾一角度，第零階繞射光不再成垂直入射，聚焦深度便可增加，相當於在相同的數值孔徑下提高解析度。

圖四：左圖為使用傳統光罩的三光束成像系統；右圖為利用環形光罩產生的離軸照

圖五：(a)為單一光點的繞射圖形，(b)

為兩光點彼此互相干射的結果，(c)當兩光點的距離太小時，則無法分辨光點位置。 (取自Ref. 5)

相偏移光罩(phase shift mask)：

此方法主要由IBM 的M. D. Levenson 等

在1982年提出，特色是只需稍微修改一般的

罩，就能使曝光圖形的線寬縮小。其概念很簡

就是在傳統光罩的圖形上，選擇性地在透光區

上透明但能使光束相位反轉180∘的反向層，

此光罩來進行微影製程，可使曝光系統之解析

力大增，原因如下：

根據繞射原理，行經不同相鄰透光區

光線，其影像會因繞射效應而互相干涉，當兩

影像重疊超過一定程度時，觀察者就無法解如圖五所示。

由於光是電磁波的一種，我們觀察到的

光強度變化，其實是電場的平方。如圖六左側所示，當圖形線寬過小時，若使用傳統光罩，則強度變化將弱至無法解析。

若能利用某種透明且可使光的相位改變

180度的特殊物質，將它選擇性置於透光區中，

則如圖六右側所示，疊加後的電場在正負號變化

處為零，這些零電場點亦為零強度點，如此強度

圖六：左側為使用傳統光罩；當線寬太

小時，電場強度將無法分辨。右側為使用相偏移光罩，電場強度變得清析可辨。(取自Ref. 6)