微影技術 (lithography)

3.2.1 光微影製程技術( photolithograph )

此技術利用光阻劑照射特定光源後，改變原本光阻劑內部鍵結結構而 溶於特定顯影液之特性，輔以光罩( mask )阻擋光源選擇曝照區域，光阻依 照光罩設計覆蓋於基板特定區域，再進行後續蝕刻或蒸鍍，將光罩圖形轉 移。此技術可快速的大量複製圖形，但解析度受限於光源波長造成的繞射 極限，適用於約 1 微米以上製程。我們在此製程上使用機台由 ABM 出產之 光罩對準機( mask aligner )，UV 光源，波長 365 nm、 20 mW/cm²，光阻劑 為 AZ5214E。此光阻劑原為正型光阻，但可經由反轉烤變為負型光阻，且 於截面形成 undercut 利於後續的舉離。另外，我們藉由光罩上的對準子 ( alignment-key )確定每一道都精準的附蓋在我們所需的相對位置上。光微 影技術製作反應圖如圖 3-6，細部流程如下：

(1) 清洗(substrate cleaning )：

分別浸泡於丙酮、酒精十分鐘，再用氮氣吹乾即可。此步驟極為重 要，若基板上附有雜質將影響後續塗佈及曝光，降低圖形轉移的完 整度與成功率。

(2) 塗佈( spin coating )：

在基板滴上光阻劑，藉由光阻塗佈機將基板快速旋轉，利用離心力 使光阻均勻塗佈，塗佈完成時需注意附著基板上光阻色澤是否均勻 (光阻塗佈是否均勻)，是否沾黏雜質。塗佈轉速及時間均影響塗佈光 阻厚度，在此我們依序用 10 秒 1000 r.p.m.及 40 秒 5000 r.p.m.等兩階 段完成塗佈，前者使光阻均勻附著，後者決定光阻厚度。

(3) 預烤( pre-bake )：

本步驟將光阻內溶劑蒸發，避免光阻太軟，確保光阻劑附著且不容 易沾黏於光罩上。此步驟條件為 90 ℃，90 秒。

(4) 曝光( exposure )：

我們採真空曝光( contact exposure )，直接將基板貼附上光罩且將基 板與光罩間空氣抽走，再進行曝光，由於此方法可減少光程差及干 涉而得到較好的解析度約 1 微米，但可能造成基板貼附時光阻劑汙 染光罩，故使用光罩前需注意光罩是否乾淨，並以丙酮沖洗吹乾。

另外，曝光前需把基板邊緣堆積凸起的光阻用棉花棒沾丙酮沾拭清 掉，避免光阻層與光罩接觸不佳，造成圖形轉移時邊緣陡峭。使用 劑量為 20 mW/cm²，1.1 秒。

(5) 反轉烤( reversal bake )：

此加熱步驟，使已曝光的光阻劑結構改變不溶於顯影液，但不影響 未曝光的光阻，故在後面一步的全曝後，未曝的光阻將溶於顯影液，

如此有圖形反轉的效果。此步驟條件為 120 ℃，90 秒。

(6) 全曝( flood exposure )：

使未曝光的光阻劑結構改變，而溶於顯影液，因而最後圖形如同負 光阻的作用，並於邊界有縱向內切結構。使用條件為 20 mW/cm²， 12 秒。

(7) 顯影( develop )：

經曝光後的光阻將溶於顯影液，完成圖形轉移。顯影液的濃度及顯

混合溶液(AZ400K：DI Water = 1:4)約 15~20 秒，再放入去離子水中 30 秒，並以氮氣吹乾即完成。

圖 3-6 光微影製程反應剖面圖。

3.2.2 電子束微影製程技術( e-beam lithography )

電子束微影技術原理與光微影技術類似，但曝光源由電子替代而得到 更高的解析度(~0.1 μm)。電子束微影技術以掃描式電子顯微鏡( Scanning Electron Microscopy，SEM )為基礎發展而來，實驗室使用 Hitachi S-3000H。

主要利用鎢絲加熱產生電子，外加高電壓約 20 kV，加速電子並導引電子行 徑的主要方向，再經過一連串的磁透鏡的聚焦，使電子束集中在很小的區 域，電子束微影技術利用此特性，控制電子束並打在塗有電子阻劑

( polymethylmethacrylate，PMMA )的基板上，以電子束聚焦圓點為基礎單位 一個點一個點曝光，並以 Design CAD 圖形設計軟體、NPGS( Nano Pattern Generation System )控制電子束介面軟體及屏蔽板( Beam blanker )等的輔 助，控制電子束的移動及開關直接將設計圖形在電子阻劑上曝光，無需額 外使用光罩作曝光區域選擇的動作，圖形設計可隨時更動，保有較大的使 用彈性，但曝光相對較耗時，且需考慮電荷效應( charge effect )及近接效應

子阻劑為正型阻劑，但由於利用電子曝光時，電子於電子阻劑內有些許散 射，及電子阻劑與基板界面發生反射，造成顯影後電子阻劑截面即為內切 ( undercut )型式利於後續舉離，明顯與未反轉過光微影製程不同。製作反應 圖如圖 3-7，細節流程如下：

(1)清洗(substrate cleaning )：

分別浸泡於丙酮、酒精十分鐘，再用氮氣吹乾即可。

(2)塗佈( spin coating )：

先在基板滴上電子阻劑，藉由塗佈機將基板快速旋轉，利用離心力 使電子阻劑均勻的塗佈，塗佈完成時需注意附著基板上電子阻劑色 澤是否均勻(光阻塗佈是否均勻)，是否沾黏雜質。使用條件如前文。

原則上，塗佈時轉速愈快膜厚愈薄，塗佈時間並不影響厚度，但較 短的塗佈時間可能造成塗佈不均勻。另外，電子阻劑塗佈完成後的 顏色反應其厚度，可藉此判斷是否塗佈異常。

(3)預烤( pre-bake )：

本步驟將電子阻劑內溶劑蒸發，確保電子阻劑附著良好。預烤條件 為 180 ℃，5 分鐘。

(4)曝光( exposure )：

利用 NPGS 程式控制電子束，將 Design CAD 上所設計之圖形直寫 在電子阻劑上，並搭配測得適當劑量即完成。曝光劑量以 nC/cm 為 單位，太大的劑量使得電子散射，並破壞旁邊原本不需要曝光的電 子阻劑性質，造成圖形擴大膨脹；反之，若太小的劑量使曝光不完

(5)顯影( develop )：

將已曝光的 PMMA 溶解，完成圖形轉移。顯影的時間、溫度和混合 溶液濃度均影響最後完成顯影的圖形。使用條件如下：於室溫

(~25℃)，分別顯影 75 秒定影 25 秒，前者使用混合溶液( MIBK：IPA

= 1：3 )，後者使用 IPA，最後再浸泡於去離子水 30 秒，並以氮氣吹 乾即可。

(6)熱蒸鍍( deposit )：

此步驟並非所有電子束微影製程都需要，僅為製作金屬電極所需。

將完成顯影後樣品進行熱蒸鍍，即可於微影製程所指定留下空缺部 分沉積附著我們所需金屬。一般金屬電極由鈦( Ti )及金( Au )組成，

金有良好的導電導熱性質，但與基板附著力不佳，需先鍍上 10 nm 鈦作為附著層，再鍍上對應所需厚度的金。

(7)舉離( lift off )：

將附著金屬的基板放入丙酮浸泡三十分鐘，利用丙酮把基板上的電 子阻劑溶解，並同時清開沉積於電子阻劑上的金屬，再用針筒吸取 丙酮沖洗基板表面，作最後的金屬翻離，即可留下直接附著於基板 之金屬，完成舉離。

圖 3-7 電子束微影反應剖面圖。