電子束微影術是現代電子工業為了製作極精細的元件圖案所研 發出來的專門技術。它是源自於早期的掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscopes, SEM)，這項技術最基本的原理是將電子束照射 到上面塗有一層對這些電子很敏感的光阻的表面上，然後電子束的能
(1)圓點束(round beam)
電子束入射到阻劑時，其電流密度成廣義之高斯(Gaussian)分 佈，由於俯視為圓點，因此也稱為高斯圓點束。此種曝光系統的優點 為簡單、便宜，且可以提供最高的解析度，約為3~5 奈米，而其缺點 也因為每個圖形皆需由無數個微小的圓點所組成，所以曝光速度極 慢。
(2)定型束(fixed shaped beam)
電子束形狀以一片方形孔穴(Square Aperture)加以規範為方形，
然後利用此固定的方形排列組合出所需的曝光圖案。其優點是可利用
一次較大的曝光面積來提高曝光速度，而其缺點則是解析度因此下 降。
(3)變形束(variable shaped beam)
變形束較定形束增加一片固定不動之方形孔穴，藉由調整電子束 偏折方向，使電子束通過此兩片方形孔穴後，可得多種任意方形。由 於可以提供多種任意方形圖案，因此曝光速度可進一步提升。本實驗 使用的機台便是這種系統。
(4)圓規束(shaping mask beam)
將固定不動之方形孔穴，以含有各式形狀孔穴的圓規取代，也因 此可一次即建構出單元圖案，所以其曝光速度最快。
在利用電子束微影出我們需要的圖形之前，我們必須要先製作一 個對準記號(alignment mark)。不像一般光學微影的對準記號只需在每 道光罩都加上即可，電子束的對準記號需要獨立事先製作，統稱為零 層標記(zero mark)。本實驗利用的是 NDL 的 Leica Weprint 200 電子束 微影系統，它的對準記號製作方式是微影出長 50μm、寬 4μm 的十
影 響 圖 案 之 間 的 曝 光 時 ， 稱 為 圖 案 間 鄰 近 效 應(inter-proximity 種。本實驗所需要的結構寬度分佈為 100~400nm，幾乎已到 Leica Weprint 200 解析度的極限，因此對於鄰近效應的修正必須更加注意。
在硬體修正方面，是由 NDL 控制，無法做更動；在曝光劑量修正方 方面，美國無線電公司開發的 RCA(Raio Corporation of America) clean 是一種沿用了幾十年的成熟技術，到現在依舊被各種製程所採用，它 的清洗內容至今無太大的改變，改變的只是清洗順序及所用化學配方 的比例而已。另外還有一種稱為STD Clean 的清洗技術，它是省略了 RCA Clean 部分的清洗步驟，主要是用於沉積不需太好精度的薄膜如 犧牲層的wet oxide 等所使用的。而本實驗所用的標準 RCA Clean 程
序如表2-3 所顯示，而各個步驟的目的則由以下說明。 氧化層(chemical oxide)，它的反應如下：
SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O2 (2-1)
清洗程序。
2-2-2 沉積
沉積是在製程中需要生長一層薄膜以便之後加工的一種不可或 缺的技術。它的沉積機制為：(1)長晶(nucleation)；(2)晶粒成長(grain growth)；(3)晶粒聚結(coalescence)；(4)縫道填補(filling of channels)；
(5)沉積膜成長(film growth)。而沉積技術又可因來源不同而分為物理 擴散遮蔽層(diffusion mask)；(2)遮蔽氧化層(screen oxide)；(3)襯墊氧 化層；(4)場區及局部氧化層(blanket field oxide)；(5)犧牲氧化層 (sacrificial oxide)；(6)蝕刻阻擋層[28]。而本實驗中的所用的 SiO2主 要有兩個用途，第一個是做為電子束微影的蝕刻阻擋層；第二個是做 為沉積 Si3N4的襯墊層，也就是應力緩衝層，避免 Si3N4的高張力導 致Wafer 產生破裂。
爐管中成長 SiO2 的方式也有很多種，品質及用途也不太一樣。
第 一 種 是 TEOS ， 它 是 一 種 有 機 矽 源 ， 全 名 為 四 乙 基 正 矽 酸 鹽 (tetraethyl orthosilicate)，化學式為 Si(OC2H5)4。它是以低壓化學沉積 法(LPCVD)來沉積，常溫下 TEOS 為液體，在足夠溫度下它便會發生 反應產生SiO2等生成物，反應式為(2-2)。由於 TEOS oxide 的階梯覆 蓋率(step coverage)很好，常用來製作半導體業中的 Spacer、Barrier Layer、保護層(passivation)。
Si(OC2H5)4 → SiO2+4C2H4+2H2O (2-2) 第二種是溼氧化層(wet oxide)，顧名思義它是以水汽與 Si 反應而 生成的，反應式為(2-3)(2-4)。它是利用常壓化學沉積法(APCVD)來沉
積的，由於它的沉積的速度很快，不過電性不佳，常用在MOS 中的 場氧化層(Field Oxide)以及微機電的製程。
2O2+H2 → 2H2O (2-3)
因此它常被用做保護層、SiO2的蝕刻中止層(etch stop layer)等保護晶 圓上結構的薄膜，重要性不亞於 SiO2。半導體製程中沉積Si3N4的方 式主要有 LPCVD 及電漿加強化學氣相沉積(PECVD)兩種，LPCVD 是利用SiH2Cl2和NH3在適當的溫度和低壓下混合，經由(2-6)的反應 式而得到理想配比(Stoichiometry)的 Si3N4，組成較單純，常用在前段 製程當中。不過利用 LPCVD 成長的 Si3N4拉伸應力相當的高，很容
2-2-3 微影 CH3 可改變 wafer 的極性。HMDS 之無機端(Si)與晶圓形成 Si-O-Si 鍵結，而有機端(CH3)則與晶圓形成 Si-O-Si-CH3 鍵結，可與光阻的 C、H、O 有較強的作用力，增加黏附性，塗佈方法是在 95℃環境下 通入HMDS 蒸氣 120 秒。
接著是冷卻，因為晶圓上的 HMDS 是 95℃而光阻的溫度是室 溫，若直接上光阻會使光阻中的溶劑揮發，降低製程穩定度。
當降到適當溫度後，晶圓便被送到另一個chamber 上光阻。首先
會將晶圓以高速旋轉，接著在晶圓上旋塗一層solvent，如此表面的附
也是利用TRACK 機台來進行，步驟如表 2-5。 Develop Inspection, ADI)，檢視微影出圖案是否我們所需，如果有差 錯，則必須把光阻洗掉，重新由微影第一步光阻塗佈做起。
2-2-4 蝕刻
蝕刻製程的功能，是要將進行微影製程前所沉積的薄膜，把沒有 被光阻覆蓋保護的地方，以化學或物理的方法去除，以完成轉移光罩 圖案到薄膜上的目的。蝕刻主要可分為濕式蝕刻(wet etching)及乾式 蝕刻(dry etching)，以下將分別介紹。
2-2-4-1 濕式蝕刻
濕式蝕刻是利用薄膜與特定化學溶液間產生的化學反應來去除 薄膜。如不考慮蝕刻對象的結晶結構，由於化學反應沒有特定的方向
性，所以是屬於等向性的蝕刻，蝕刻過後的形狀如圖2-10。常見的濕 的TEL oxide etcher(圖 2-11)，而電漿蝕刻則為 TCP poly etcher(圖 2-12) 分別用來蝕刻作為保護層的 Si3N4及 SiO2和 Si 的奈米結構區。而要
使用兩種乾蝕刻機台的原因是因為TEL oxide etcher 對於 Si 的蝕刻非
於濃度與分佈的掌握度，離子佈植法比擴散法好上許多，也因此離子 佈植法目前是摻雜技術的重心。本實驗使用離子佈植法的目的是想要 在矽晶圓上製作一塊導電區域，在通電的時候能夠利用熱電阻發熱；
而形狀則是S 型，目的是為了使整片晶片能均勻加熱而傳到每個結構 區。佈植劑量及施加能量方面則採取實驗室學長所測得最佳的 5E15 cm-2、80keV，而佈值物質則是磷離子。線寬則選擇 100μm 及 150 μm 此兩種在測試時對脫模表現較佳的加熱線路。 退火製程稱為快速熱回火(Rapid Thermal Annealing, RTA)，它利用加 熱器使溫度以100℃/min 以上的速度上升，而經過數十秒的退火過程
表 2-1 實驗設備設備
使用設備 所屬單位
清洗蝕刻工作站(Wet bench)
國家奈米元件實驗室 高溫及低壓水平爐管(Horizontal Furnace)
薄膜測厚儀(n&k) 橢圓儀(ellipsometer)
自動化光阻塗佈及顯影系統(Track)
電子束直寫系統(Leica e-beam) 線上電子顯微鏡(In-line SEM)
氧化矽乾式蝕刻機(TEL oxide etcher) 多晶矽乾式蝕刻機(TCP poly etcher) 乾式光阻去除機(Ozone asher)
表面輪廓量測儀(P-10 surface profiler) 場發射掃描式電子顯微鏡(FESEM)
表 2-2 實驗流程
表 2-3 RCA clean 程序
表 2-4 光阻塗佈流程
No. 流程 製程參數 目的
1 HMDS 塗底 90℃ 使光阻附著性更好
2 冷卻 23℃ 避免光阻溶劑被蒸發
3 光阻塗佈 1000rpm 塗佈電子束正光阻 3000Å 4 軟烤 95℃、120sec 去除光阻中溶劑
表 2-5 顯影流程
No. 流程 製程參數 目的
1 曝後烤 115℃、120sec 消除駐波效應
2 冷卻 23℃ 增加製程穩定
3 顯影 60℃ 去除曝到光的光阻
4 定影 60℃ 去除殘餘的顯影液
5 硬烤 115℃、120sec 增加光阻密合度
圖 2-1 對準記號[30]
圖 2-2 Track 機台
圖 2-3 第一道-結構區光罩
圖 2-4 結構區形狀
圖 2-5 第二道-接線區光罩
圖 2-6 第三道-加熱線路光罩
圖 2-7 光罩全形
圖 2-8 電子束曝光區塊[30]
圖 2-9 受駐波效應的光阻[31]
圖 2-10 濕蝕刻形狀
圖 2-11 Tel 5000 氧化矽乾蝕刻機台
圖 2-12 TCP 多晶矽乾蝕刻機台
圖 2-13 側壁保護示意圖[32]