光學微影

壓印前

壓印中

壓印後

mold

Imprint material substrate

圖2.2 奈米壓印微影技術示意圖

2.1.1 光學微影

光學微影技術的原理是將原本要製作的圖案預先製作於光罩 上，再利用曝光的方式將圖案轉印到塗有光阻的晶圓上。圖2.3 為光 學微影技術的主要製程流程圖，整個光學微影技術的製程主要分成 8 個步驟：1.塗底、2.光阻塗佈、3.軟烤、4.曝光、5.曝後烤、6.顯影、

7.硬烤、8.顯影後檢查，其中 1、2、3 及 5、6、7 幾個步驟在晶圓廠 生產過程中，都在自動化光阻塗佈及顯影系統中作業，此系統通常 會與曝光系統串連成自動化作業線，以減少污染之發生並可達到製 程穩定及高產能之目的。以下針對8 個步驟各別加以說明。

4.曝光

光阻處理系統 曝光系統

6.顯影 5.曝後烤

3.軟烤 2.光阻塗佈

1.塗底

7.硬烤

影像檢查設備

8.顯影後檢查

圖 2.3 光學微影技術的主要製程流程圖

1. 塗底(Priming)

塗底的目的是要確保光阻塗佈在晶圓上時有良好的附著性，由 於一般光阻本身為疏水性材質，而晶圓表面因吸附空氣中之水氣而 呈現親水性，透過塗底的步驟可以使晶圓表面變成疏水性。塗底前 會先做去水烘烤(Dehydration Bake)以去除吸附在晶圓表面的大部分 水氣，接下來才進行塗底步驟，塗底通常是使用HMDS 這種物質，

全名為六甲基二矽氯烷(Hexamethyldisilazane, (CH3)3SiNH(CH3)3)，圖 2.4 為塗底過程 HMDS 與晶片表面反應之示意圖。塗底的方式可分 為旋轉塗佈與氣相塗佈兩種，旋轉塗佈方式與光阻塗佈方式相同，

而氣相塗佈則是將HMDS 裝於氣泡甁中，再把氮氣通入 HMDS 液體 內使其產生氣泡，藉此方式得到HMDS 蒸氣，再將其導入反應腔體 內使其與晶圓表面產生反應達到塗底的目的，此種方式可以減少化 學品用量及減低化學品中雜質微粒所造成的汙染，而且塗底效果較 好，因此目前量產的方式都是採用氣相塗佈法，除此之外還會將去

水烘烤與塗底整合在同一個反應腔體中進行，這樣的好處是去水烘

心點不一致而造成震動進而影響塗佈均勻性或造成破 片。

(3). 光阻塗佈

晶圓定位後將適量的光阻噴灑在晶圓的中心，接下 來利用旋轉的方式讓光阻佈滿整個晶圓，通常旋轉的轉 速會分成兩個階段，第一階段為中速度旋轉，此階段的 目的是讓光阻佈滿晶圓，第二階段為高速旋轉，這個轉 速又稱為主轉速，此階段的目的是甩掉多餘的光阻，並 讓光阻溶劑揮發以使光阻成膜及定型。塗佈時注入的光 阻過多會造成浪費及成本增加，過少的光阻會造成塗佈 不均勻甚至塗佈不完整，因此，光阻的注入量需要經過 最佳化調整。主轉速及光阻的黏度則是決定光阻膜厚的 兩個主要因素，轉速越高光阻膜越薄，而黏度越高則光 阻膜越厚。

(4). 洗邊

以旋轉方式進行光阻塗佈後，通常在晶圓的邊緣甚 至下方會被光阻覆蓋，這些位置的光阻可能在後續製程 中，因機械手或晶圓夾盤的接觸而掉落造成微粒污染，

因此，在光阻塗佈後要進行洗邊的動作，此步驟同樣在 光阻塗佈槽中進行，通常是在主轉速之後，將轉速降回 中轉速，並以噴頭將溶劑注射到晶圓邊緣的上下兩側，

以使邊緣的光阻被溶解並沖走。

3. 軟烤(Soft Bake)

軟烤的目的是將塗佈在晶圓上之光阻內的大部分溶劑蒸發掉，

使光阻硬化成膜，並且可以增加與晶圓間的附著力，烘烤的時間和 溫度因光阻而異，通常光阻廠商都會有建議的溫度和烘烤時間供使 用者參考，烘烤不足時可能會使得光阻內因溶劑含量過高而呈現如 果凍般的狀態，這種情況在曝光時會使得光阻因產生微小的晃動而 造成解析度不佳，另外，過多的溶劑也會使得光阻的感光度變差。

過度的烘烤則會造成光阻變質，使得感光度下降甚至造成不感光。

軟烤後的晶圓通常會先送到冷卻板上降溫後再送進曝光機中，以維 持製程穩定。

4. 曝光(Exposure)

曝光機的原理和照相機基本上是類似的，完成光阻塗佈的晶圓 就如同底片一樣，而光罩就是我們要照的影像，只是曝光機的解析 度比照相機好很多而且也複雜很多。曝光機可分成接觸式與步進式 兩種，分別說明如下：

接觸式曝光機

接觸式曝光機根據光罩與晶圓的擺放方式又可細分 為近接式(Proximity)、接觸式(Contact)與真空式(Vacuum) 三種曝光方式，真空式曝光是指晶圓與光罩間利用真空 的方式使得兩者之間緊密接觸在一起，此種方式的解析 度最好，缺點是光罩容易受損或沾黏光阻，進而縮短光 罩壽命及造成製程缺陷。接觸式曝光是指晶圓與光罩直 接接觸，但不使用真空的方式來讓兩者之間緊密接觸在 一起，此種方式的解析度比真空式差但比近接式好，缺 點同樣是光罩容易受損或沾黏光阻，但情況比真空式好

一些。近接式曝光方式是指晶圓與光罩間沒有直接接 觸，而是留有一個約數十微米的間隙，這樣的好處是光 罩不易受損或沾黏光阻，使得光罩壽命增加及減少製程 缺陷的發生，但缺點是光學繞射情況較明顯，使得解析 度變差。

接觸式曝光機所使用的光罩是 1:1 的倍率，也就是 光罩上的圖案與晶圓上的圖案一樣，如此一來，晶圓越 大光罩就必須越大，才能在一次曝光中曝滿整個晶圓。

接觸式曝光機通常需要手動對準，加上解析度不夠好，

在目前量產的晶圓廠中已很少採用。

步進式曝光機(Stepper)

步進式曝光機是利用投影的方式將光罩上的圖案投 影到晶圓上，與接觸式曝光機不同的是光罩上的圖案已 被事先放大 4 或 5 倍，經由步進式曝光機的鏡頭投影到 晶圓上時，再縮小成原先設計的圖案大小，這樣的好處 是當線寬越來小時，光罩的製作相對會較容易，且光罩 上的誤差也會相對被縮小，這種形式的光罩被稱為倍縮 光罩(Reticle)。步進式曝光機每次曝光時僅在晶圓上的局 部區域進行曝光，這樣的區域我們一般稱為 Die，曝光完 成後晶圓再移動到下一個曝光位置，再進行下一次曝 光，如此反覆作業直到曝滿整片晶圓。當半導體的關鍵 線寬(Critical Dimension, CD)越來越小時，Die 的尺寸卻 是越來越大，而 Die 的尺寸越大代表著鏡頭必須越做越 大，但鏡頭越大不僅製造難度越高且製造成本也會急遽 增加，為了控制成本又要製造出解析度更高且 Die 更大

的曝光機，業者便在步進式曝光機的基礎上進行改良，

推出了掃描式步進曝光機(Scanner)，掃描式步進曝光機 不僅解析度更好，而且使用相同直徑的鏡頭時，掃描式 步進曝光機單次曝光的範圍比步進式曝光機來的大，如 此一來便可以降低鏡頭的成本又能滿足產業的需求。

步進式曝光機與掃描式步進曝光機由於具有自動 化對準功能及全自動的晶圓傳送功能，可以與自動化光 阻塗佈及顯影系統串連成自動化作業線，因此，已經成 為目前量產晶圓廠中的主要曝光方式。

5. 曝後烤(Post Exposure Bake, PEB)

曝後烤的目的是消除駐波效應以及在光酸放大型阻劑中提供光 酸擴散與反應時所需的能量。所謂駐波效應是指曝光的光源穿過光 阻後照射在晶圓上時，晶圓表面反射的光線會與入射光線發生干涉 現象，進而在光阻內形成駐波，駐波效應會造成光阻側壁形成鋸齒 狀的現象，如圖2.5 所示［5］。消除駐波效應的方法有幾種：1. 使 用抗反射層(anti-reflective coating, ARC)來減少晶圓表面的反射，以 減少駐波效應的發生。2. 在光阻內添加染料可減低光的反射強度，

以降低駐波效應的形成。3.利用曝後烤來消除駐波效應，曝後烤時會 將光阻加熱到玻態轉換溫度，此時光阻會變軟並稍具流動性，而鋸 齒狀的表面由於應力較大，因此光阻的分子便會重新排列，變成應 力較小的平滑表面。曝後烤的溫度通常介於軟烤與硬烤之間，時間 大約在一分鐘左右，溫度或烘烤時間不足都無法完全消除駐波效 應，但過度的烘烤可能會造成光阻變形使得圖案失真。

底材 光阻

過度曝光 曝光不足

λ/2n_PR

圖2.5 駐波效應造成光阻側壁形成鋸齒狀圖形

6. 顯影(Development)

由於溫度是影響溶解速率的重要因素，所以顯影時的溫度對顯 影速率會有明顯的影響，因此，曝後烤後的晶圓通常會先送到冷卻 板上降溫到特定溫度後再送進顯影機中，以維持製程穩定。顯影是 將不需要留下的光阻溶解並去除，僅保留需要的圖案，若使用的是 負型光阻，則曝光區域的光阻會交聯成不容易被顯影液溶解的長鏈 分子，因此在顯影過程中曝光區域會被留下來，而未曝光的區域則 會被顯影液溶解掉。反之，若使用的是正型光阻，則曝光區域的光 阻會變成可以被顯影液溶解的短鏈分子，因此在顯影過程中曝光區 域會被顯影液溶解掉，而未曝光的區域則會被留下來。目前業界普 遍 使 用 的 顯 影 液 為 TMAH，全名為氫氧化四甲銨 (Tetramethyl Ammonium Hydroxide, (CH3)4NOH)，顯影的方式通常先噴灑一定量 的顯影液，使得晶圓表面因表面張力的關係而覆蓋一層顯影液，並 靜置一段時使顯影液充分反應以溶解掉不需要的光阻，接下來再使 晶圓以中等速度旋轉，並噴灑大量的純水來洗淨晶圓，最後關閉純 水並使晶圓以高速度旋轉讓晶圓自動乾燥。

7. 硬烤(Hard Bake)

硬烤的目的主要是使光阻硬化，以增加對後續蝕刻或離子植入 等製程的抵擋能力，另一個目的則是消除光阻中的針孔，硬烤的溫

硬烤的目的主要是使光阻硬化，以增加對後續蝕刻或離子植入 等製程的抵擋能力，另一個目的則是消除光阻中的針孔，硬烤的溫