結論 - 彩色濾光片之先進製程與缺陷改善

第二章、文獻回顧及彩色濾光片基本製程介紹 2.1 彩色濾光片的功用

彩色濾光片是CMOS Image Sensor 的關鍵原件，而透過彩色濾光片才能使高灰階的CMOS Image Sensor 達到全彩化。所以彩色濾光片之作用在於利用濾光的方式產生紅( R )、綠( G )、藍( B )、三原色光，再將三原色光以不同的強弱比例混合而呈現各種色彩，使CMOS Image Sensor 顯示出全彩。如圖一所示即為CMOS Image Sensor 之結構與工作原理之示意圖。

圖 2- 1 CMOS Image Sensor 之結構與工作原理之示意圖

2.2 彩色濾光片基本構造

彩色濾光片是在CMOS Image Sensor 上製作出許多紅( R )、綠( G )、藍 ( B )的圖素，每個圖素對應 CMOS Image Sensor 上的一個畫素，當白光背光

通過這些圖素後，變成紅、綠、藍光，而構成三原色光。最基本的彩色濾光片其結構為CMOS Image Sensor 上製作平坦層，再依序製作上有透光性的紅、綠、藍三原色之彩色濾光膜層(濾光層之形狀、尺寸、色澤配列，依不同用途之CMOS Image Sensor 而異) ，最後在鍍上 Micro-lens。其結構如圖2-2 所示。

圖 2- 2 CMOS Image Sensor 與彩色濾光片之結構示意圖

Micro-lens

Color filter

Chip Micro-lens

Color filter

Chip

2.3 彩色濾光片製程流程介紹(圖 2-3)

圖 2- 3 彩色濾光片製程流程簡介

2.3.1 常見的彩色濾光片製程流程

首先在CMOS Image Sensor 前段 Pattern 後，利用傳送機構將其送到 R、

G、B 光阻製程中。而 R、G、B 製程流程為: (1) Spin Coater 塗佈負光阻，

由轉速控制膜厚，進而調整色度。(2) Exposure : 曝光部分因聚合而失去溶解性。(3) Developer : 洗去未曝光部分，形成所需圖案樣式。(4) Post-bake : 加熱以硬化殘留之負型光阻。

2.3.2 去水烘烤(Dehydration Bake)

去水烘烤要的目的是主要在晶片表面上做處理以提昇光阻與晶片表面間的附著力。(Curing condition 150°C ~250°C )由於晶圓表面是氧化矽容易吸

附水份，有機光阻則是斥水性，光阻和晶圓表面不易附著，所以必須去水烘烤的步驟。去水烘烤的處理步驟是在高溫烤盤下烘烤，將晶圓表面的水氣去除，接著進行下一步驟即是塗底，塗上一HMDS(Hexamethyldisilazane) 材料，做為晶圓與光阻的界面活性劑。

2.3.3 塗底(Priming) HMDS

塗底主要的目的是要提昇光阻與晶片表面間的附著力。晶片表面經過去水烘烤的步驟去除水氣後，加上一層底材以改善光阻與晶片的附著力。

通常使用的底材為HMDS (Hexamethyldisilazane)，HMDS 有如界面活劑，

使得晶片與晶圓附著力增加。氣化塗底(Vapor Priming):為求 HMDS 塗底效率好，以往將「去水烘烤」及「HMDS 塗底」的步驟結合在一起，經過去水烘烤的晶片不需從容器拿出來，而直接進行HMDS 塗底，如此 HMDS 塗底效率會更好。但目前「去水烘烤」溫度較高，且一般的瓶頸時間並不在這個步驟上，故大都將「去水烘烤」及「HMDS 塗底」的步驟分開。( 閃火點=17°C ，沸點 126°C ，Curing condition 90°C~110°C ) 。

2.3.4 塗佈製程

光阻塗佈製程為送入端(1) Coat 塗佈(2)Spin 旋轉(3)減壓乾燥(4)端面處理(Edge Bead Remove)等，以下針對重要單元做一簡單介紹。在 Coater 塗佈製程主要有兩種機構，分別為Tube(中央滴下)及 Slit(狹縫式) ，皆是利用壓

力將光阻擠壓出的方式，其製程如圖 2-4 所示。Tube 即在玻璃中滴一定量的光阻，利用旋轉將光阻均勻塗佈在wafer 上；Slit 即利用狹縫將光阻均勻塗佈在wafer 上，最後再利用旋轉將光阻均勻塗佈在 wafer 上，而這兩種機構最主要的差異在於的用量(Tube>Slit)及 Tube 易產生班駁。現在半導體的塗佈機台主要機構為Tube 式。

圖 2- 4 Tube 及 Slit 示意圖

2.3.5 EBR 製程

在光阻旋轉塗佈完成之後，Wafer 邊緣的光阻需先清除，以免造成光阻的殘留。其所使用的的機構稱為端面處理(EBR)，在清洗頭中通入溶劑、

Air、H2O 以利光阻的清除，其裝置如圖 2-5 所示。最後再經過熱板及冷板的製程機構，其中熱板的目的為增加光阻與基板的附著力，即所謂的預烤 (Pre-bake)，溫度一般在 120 至 150°C；而冷板的目的在於將經熱板後的基

板回復至室溫狀態，溫度一般小於2 5°C 。

圖 2- 5 Edge Bead Remove 示意圖

圖 2- 6 Edge Bead Remove 的高度檢查 2.3.6 曝光前烘烤(Pre-Exposure bake)

曝光前的烘烤，又稱為軟烤(Soft Bake)，主要目的是移去光阻覆蓋後，

Vacuum EBR

Wafer

Drain

Vacuum EBR

Wafer

Drain

光阻內殘留的溶劑，使其硬化成型，以提昇光阻顯影速率比、防上光阻層龜裂及增加光阻劑對晶圓的附著力，所以軟烤此步驟對光阻的附著力、溶解速率、線寬控制及光阻圖形的定義具有舉足輕重的地位。軟烤的主要參數是溫度及時間。軟烤會影響到光阻的厚度與活性，同時會影響光阻層的固化及光阻經曝光及顯影後的結果。

圖 2- 7 厚膜光阻或烘烤溫度太高使光阻表面過早乾燥

2.3.7 微影製程

將塗佈好光阻的玻璃基板，送到曝光區，而曝光機的功能在於利用UV 光透過光罩照射於光阻上，使光阻形成如同光罩所設計之R、G、B 之圖案。

而曝光機的重要動作步驟為：Pre-alignment→Proximity Gap 量測→對準 (Alignment，Mark Pattern)→曝光等。而曝光的種類有近接式(Proximity)及步進式(Stepping)。一般半導體廠使用步進方式，步進式的解析度較佳，且 Mask 較便宜，但曝光機台單價較高。所謂的步進式即將 Mask 上之 Pattern 以 Step

方式投影在基板上之曝光法；近接式即將Mask 與基板置於相對近位置曝光方式，近接式及步進式示意圖分別如圖 2-7 及圖 2-8 所示。其曝光時所使用的光源有許多種，但一般以G-line(436nm)及 I-line (365nm)兩種為考量，

依光阻特性而定。

圖 2- 8 Proximity 式示意圖

Light Source Lenses

Mask Photoresist

Wafer

~10 μm Light Source

Lenses

Mask Photoresist

Wafer

~10 μm

圖 2- 9 Stepping 式示意圖

圖 2- 10 顯影示意圖

2.3.9 Post-bake 製程

硬烤(Hard Bake)又稱為後烘烤(Post Bake)，經過顯影之後的最後一道的烘烤步驟即稱為硬烤。硬烤主要目的是去除殘存的水氣及溶劑，使光阻

2.4 Color Filter step by step flow(圖 2-11)

Cell Peri Pad

CMOS Substrate

Cell Peri Pad

CMOS Substrate

第三章、彩色濾光片製程改善流程

3.1 彩色濾光片簡介

圖 3- 1 彩色濾光片完成示意圖

上圖為 CMOS image sensor (CIS)之 color filter (CF)的簡易結構，因 photo diode (PD)的感測面積較小，故須利用 micro-lens 來聚焦，防止光的損失，增加感光度，斷面如下圖所示。

圖 3- 2 Micro-Lens 聚光示意圖

一般而言，CF 製程有 6 層，兩層平坦層、CF 層(Red, Green, and Blue) 和

Micro-lens (ML)。

3.2 彩色濾光片材料簡介 表 3- 1 彩色濾光片材料

上表為廠商提供的Materials data，也是這次評估的對象。平坦層有 2 source，一是永光的 EOC100，另一是 Fuji-Film 的 CT-3050L，而 CT-3050L 是之前所用的平坦層，兩者皆是Photo type (需曝光、顯影)，而不是

thermosetting type (熱固型，不需曝光、顯影)。差異之處在於顯影液濃度和 D.I. water rinse mode，EOC100 所用的顯影液 ENPD3 2.38wt% TMAH 以 1:3 稀釋(by D.I. water)，再加上介面活性劑，而 Fuji-Film 的顯影液 CD-2030 為pure 0.5 wt % TMAH 以 30 %稀釋，同時再加上介面活性劑。由表中可知，

Fuji-Film 系列的光阻，其 D.I. water rinse 一律須用 spray nozzle，原因是強大的撞擊力可減少彩色濾光片的顏料殘留，進而降低顏色的污染。Color filter 層(RGB)所用的 SRY-A778、SGY-A779 和 SBV-A780，是 Fuji-Film 的 4th generation color MOSAIC materials，之前的 SR-7100L、SG-7100L 和 SB-7100L 為 2nd generation。4th generation 有兩點改進之處，

度(smaller pixel size)，解析度約 2 um square pattern，而 2nd generation 的解析度約7 um ;另一是顏料尺寸的控制(一小部分大尺寸的顏料超過 0.5 um)。

事實上，永光也有提供彩色濾光片的材料，只是專門針對 TFT-LCD 設計的，而 TFT-LCD 的 CF 是用 i-line、g-line 和 h-line 混 run 的，且其 pattern 通常大於 10 um，因此，並不適合用來作 CIS CF 的 materials，因一般 8 吋 IC 廠僅用 i-line 和 DUV，換句話說，永光的 CF (特別是 Blue 和 Green)，

因對i-line 光源的吸收能力很弱，pattern 無法成型。

3.3 彩色濾光片製程修正結果

3.3.1 平坦層 Planarization layer

CT 平坦層評估的重點如下:

1.可見光高穿透性(> 95 % after curing) (400 ~ 700 nm) 2. Particle level(顯影後) (< 100 counts，based on 0.3 um) 3. 膜厚的均勻性(spec.: < 1 % by 9 points)

4. Good adhesion for RGB (depends on process recipes)以下將以 laye 分別敘述製程微調歷程和分析結果。

這裡主要提供的數據是針對永光的EOC100，因以上述條件而言，在跳過顯影和烘烤時(全曝並不用光罩)，RGB 在 EOC100 上的 peeling margin 大於在Fuji-Film 之 CT-3050L，且 CT-3050L 在烘烤後，晶面有 shot 性的淡綠色之溶劑殘留，改用黃光的高溫熱盤烘烤亦無效，故Fuji-Film 的 CT-3050L

暫時不評估。根據永光所提供的transmittance spectra 數據，EOC100 (1.8 　 m)在 200C30M curing 後，其 transmittance 在可見光區約 98 %，符合我們的標準 (> 95 %)。為方便 run 貨，平坦層 CT 與 RGB 的顯影液 D.I. water rinse mode 須統一，在 run 貨時，顯影液才不用 purge，而硬體也不用改，

但RGB 對顯影液和沖洗方式較關鍵，故我們擬將永光的平坦層所用顯影液變更成Fuji-Film 的顯影液，但以永光建議 EOC100 的條件(PB = 110°C w/o PEB)，使用 Fuji-Film 的顯影液 CD-2030 和噴灑沖洗方式去顯影，發現晶片會有殘留的光阻，此為顯影極度不均之現象，懷疑是曝光量不足，當時曝光量為48 msec，因此，改變不同曝光量(spin speed = 1200 rpm)去尋找最佳條件，data 如下

圖 3- 3 彩色濾光片曝光量分佈圖

上述的資料是用QZ131 (long scan profiler, depth measurement)測量的，在完全不 PEB 下，曝光量約到 80 msec 就達飽和了，但晶片還是會有殘留的光 PEB 達成完全反應效率，因光阻的內聚力不足，無論

使用多大的曝光量，在此條件下，晶片還是會過度顯影，由實驗證明了材料特性，雖然曝光量對反應效率是關鍵，在常溫下即可形成鍵結，但需一段時間，而 PEB 正是加速因子。另外，我們嘗試改變一些條件去測試顯影後Particle level，資料如表 3-2

表 3- 2 Particle Level for 彩色濾光片平坦層

可知HMDS 對 Particle level 有決定性的影響。原條件(PB = 110°C) 加上 PEB (70°C，90 sec) 後，其 particle counts 也高達 727 顆因此調降 PB:110 至100°C 並提升 PEB: 70 至 °80 C，且不上 HMDS，此為最佳條件。一般而言，CT 平坦層在烘烤後的膜厚約 2um，以此為基準，確認厚度的均勻性，

詳細資料如表3-3

表 3- 3 彩色濾光片平坦層均勻性

表中的均勻性= (range/mean)x100 %。在不用 PEB 下，就如同前述過度顯影並顯影不均，造成PDB 後，均勻性= 6.96 %，而最終條件 (PB = 100°C/120sec， PEB = 80°C/90sec) 卻可在顯影後，進一步提升均勻性(0.88

至0.68 %)。平坦層製程參數嚴重影響 RGB 對平坦層的 adhesion 程度，舉 Blue (0.6um)來說，若 EOC100 不加 PDB 步驟，曝光量需 800 msec 以上，

Blue layer 方才不會剝落，但若進行正常步驟 (顯影+顯影後烘烤)，並變更烘烤條件: 200°C/30Min 至 220°C/60Min，則曝光量僅需 300 msec 以上，即不會光阻剝落，至於顯影.、顯影後烘烤和烘烤溫度提升三者分別的效應，

並無詳細具體數據，不過，因在顯影後，晶片表面通常較粗糙，故可用微調三者來增加RGB 光阻剝落極限。

3.3.2 紅/藍/綠層 RGB layer

RGB filter layers 評估的重點如下:

1. 光阻剝落極限

2. 光阻(Pigment)殘留極限 3. CD，烘烤後收縮，斷面檢查 4. RGB material Q-time (在室溫)

簡述RGB 的特性，因彩色濾光片材料含有 5 ~ 10 wt %的 RGB pigment，故會吸收大部份曝光之i-line 光源(365 nm)，造成起始劑 (initiator) 感光不足，

特別是RGB layer film 的底部，起始劑(initiator)所受到的曝光更少，光阻圖案易產生undercut，造成光阻剝落，如圖 3-4 所示。

圖 3- 4 彩色濾光片 Pattern undercut 示意圖

在文檔中彩色濾光片之先進製程與缺陷改善 (頁 12-75)