第七章 結論與未來建議
第二章 微影製程、機台與覆蓋誤差介紹
2.1.
微影製程介紹IC 的設計，會隨著產品規格的不同，而所設計的邏輯電路也會有不同的需求。
因此在設計IC 規格前，必須先依其功能，設計出 IC 電路圖，並製作光罩。目前 一般MOS 元件製作，至少需要三十幾道的製程方可完成。一般半導體的製程可區 分為前製程作業、晶圓片長成、前段製程及後段製程。前製程作業包括IC 的設計 與光罩的製作。光罩的作用有如印刷的網版一樣，經過光線的曝光，將光罩上的圖 案轉移到晶片上，接著再利用蝕刻的方式，將晶圓上曝光的部分去除，而得到所需 的電路。晶圓片乃是由二氧化矽經由電弧爐提煉，還原成冶煉級的矽，再經由鹽酸 氯化，產生三氧化矽，蒸餾純化後，經過慢速分解過程，形成棒狀或粒狀多晶矽。
之後，將其放入石英鉗鍋裡，置於長晶爐並以高溫溶解，然後慢慢往上拉出(Necking) 頸部有3mm 的寬度後，再拉出晶冠就是晶體的本身，可拉到直徑 8 吋或 12 吋，
然後再拉出本體，便製成所謂的晶體柱，最後經過研磨、拋光、切片而成為晶圓片。
前段製程是將清洗好的晶圓，送到爐管，在含氧的環境下，加以熱氧化，進而在晶 圓表面長成所需的薄膜，一般多為二氧化矽。之後在晶圓表塗上光阻液，以做為在 未來曝光時，保護無須曝光部分，接下來就是做光罩校準的動作，將光罩與晶圓對 準，進行曝光，再以顯影劑進行顯影，之後以化學蝕刻或物理蝕刻的方式，去除不 需要的部分，並將晶圓清洗，最後便在晶圓上留下所需的電路。然而，目前現在的 電路設計都非常大，因此要在晶片上印上電路，一層的面積並不足以包含所有的電 路，須一層一層的轉印到晶片上，這種方式類似蓋大樓建築，因此需要反覆氧化、
曝光、微影、蝕刻等步驟。後段製程是將晶片封裝及測試。測試的目的是將依照設 計的電路特性，真實的表現出來，而封裝的目的，除了保護易脆的晶片外，更提供 機械強度與適當的保護，避免積體電路受到污染。上述晶圓製造的流程如圖2-1 所 示：
圖2-1 晶圓製造流程
而微影製程步驟如圖2-2 所示：
圖2-2 黃光區微影製程步驟
步驟1、表面清洗
在進入微影製程前，需要將表面清以去除晶片表面氧化物、雜質、油質及水分 子。
步驟2、去水烘烤
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，約需加熱至150oC~250oC，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，做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，塗上一層HMDS(Hexamethyldisilazane)材料，做為晶圓與光阻的界面活性劑。
步驟3、塗底
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 六甲基乙矽氮烷HMDS(Hexamethyldisilazane)，HMDS有如界面活性劑，使得晶片 與晶圓附著力增加。HMDS有兩個作用:
(1) 脫水：HMDS與水發生反應產生氨氣，去除因與晶圓表面形成化學鍵而無法烘 除的水份。
(2) 增強晶圓與光阻間附著力：HMDS的矽原子與晶片表面產生化學鍵，而使有機 物的官能基裸露在外，可增進晶圓與光阻間的界面活性劑。HMDS與晶圓表面 反應的機制如圖2-3所示：
圖2-3 以HMDS改變晶圓表面極性
步驟4、光阻塗佈(Resist coating)
光阻通常是以液態的形式存在，一般主要是由樹脂，感光劑及溶劑等三種不同 成分所組成，其中樹脂的功能是做為黏合劑，感光劑則是一種光活性極強的化合 物，兩者一起溶於溶劑內，光阻可依其顯影(Developer)後之圖形與光罩上圖形呈相 同或明暗互補之差別，而分為「正光阻」(Positive Resist)與「負光阻」(Negative Resist) 兩種，如圖2-4所示。光阻的塗佈(Spin Coating)是利用真空吸附原理，先將晶圓置 於塗佈機的托盤上，此時光阻液便滴在晶圓上，藉著離心力的作用，讓光阻往外圍 移動，均勻地佈滿整片晶圓，而且多餘的光阻也會因為旋轉的關係被甩出，透過旋 轉的轉速平方根與光阻的厚度成反比關係，來控制光阻的厚度。由於光阻的厚度直 接影響到線寬, 所以光阻塗佈需要嚴格控制其厚度及均勻度影響光阻塗佈的品質 因素:馬達的轉速、光阻的溫度、溼度及抽風量, 同時要防止高速旋轉的光阻回濺到 晶圓上。光阻的優劣:優質的光阻與製程的良率有非常密切的關係，優質的光阻應 該還具備良好的感光度、附著性、抗蝕刻性(Etch Resistance)及解析度(Resolution)。
圖2-4 正負光阻的特性與光罩的關係
步驟5、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，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。
步驟6、對準與曝光(Alignment and Exposure)
對準：在執行曝光之前, 必須將光罩上的線路圖一層層的對準，以作正確的圖 形移轉，否則將導致晶圓報廢。
曝光即是圖案之轉移，將光罩上定義好的圖案，完全轉移至光阻上。故黃光微 影成像的基本原理有如沖洗照片，必需在暗房內進行，微影成像亦必須在黃光下進 行，光罩有如底片，而晶圓則是相紙，光線經過光罩，透鏡而成像在晶圓上，晶圓 塗有感光的光阻，光阻與光線作用後，即可將光罩的圖形移轉到晶圓上。微影成像 的必備條件:要有光源、光罩、光阻、光阻塗佈顯影設備及對準曝光光學系統。曝 光主要控制的條件是曝光光源強度、曝光的時間、光阻的厚度、軟烤的程度、顯影 的條件以及光阻線寬容許誤差。
步驟7、曝光後烘烤( Post Exposure Bake，PEB )
以90℃到130℃的溫度烘烤晶圓，此時容易有駐波效應的產生，駐波效應是指 光阻局部有輕微的曝光過度或曝光不足的現象，其產生的原因是在曝光時，光波在 不同厚度的光阻會有不同的干涉效應產生，在入射光與反射光之處產生建設性干涉 與破壞性干涉之故。駐波效應使得光阻曝光強度不均勻，使得光阻線寬經顯影之後 變成鋸齒狀，不利後續製程。在顯影之前進行曝光後烘烤，乃是利用烘烤晶圓所產 生的熱能，中和曝光過度與曝光不足的光阻，使曝光過的光阻重新排列，可以消除 駐波效應。此一方法主要應用於I-line光阻。曝光後烘烤其主要控制的參數和軟烤 相同，主要在溫度與時間。駐波效應造成的孔洞如圖2-5所示：
圖2-5 駐波效應造成之孔洞邊緣不平整
PEB溫度及時間均會影響到光酸在光阻內的擴散速度及距離，因此其必須與曝光前 烘烤溫度互相搭配，並考慮製程需求才可取得最佳之烘烤溫度。
步驟8、顯影(Develop)
經過曝光、及曝光後烘烤的光阻，即可進行顯影，顯影的目的主要除去不必要 的光阻，並將光阻經由照射後定義出的圖顯現在矽晶片上，主要的顯影法是濕顯影 法。負光阻顯影液：已曝光的部份因分子聚合而留下圖形，未曝光的部份以溶劑洗 去。正光阻顯影液：與負光阻相反,未曝光的部份留下圖形，已曝光的部份以溶劑 洗去。
步驟9、硬烤(Hard Bake)
在光阻顯影成像後，最後仍會經過一道烘烤，其目的在除去剩餘之溶劑及水 氣，使光阻內未溶解之感光化合物和樹脂間之結合更緊密，以增加光阻對熱之穩定 性及底層物質之附著力，在將來之蝕刻或離子植入製程中，能確實發揮保護圖形之 功能。
2.2.
微影機台介紹2.2.1 軌徑機
現今半導體廠中的微影製程設備，分為兩部機台，連接在一起。微影製程大部分 的程序都是由連接在前端的機台完成的，包括了去水烘烤、氣相塗底、旋轉塗佈、各 種軟硬烤以維持晶圓上的光阻在一定的濃度和溫度以及最後的顯影過程，此機台由於 是將COT、DEV、Hot/Cool plate 及傳輸系統整合在一個密閉的機構內，並嚴格控制溫 溼度及濾除空氣中的不純物，避免晶圓在製作的過程中， 遭到污染而造成品質上的缺 陷，其晶圓傳送的軌跡像是以一條彎曲的軌徑，因而稱為軌徑機(Track)，圖 2-6 為軌 徑機內部製程程序的分佈及順序；而圖2-7 為 TEL 公司的產品軌徑機之外觀。
機台 曝光
圖2-6 軌徑機內製程分佈及順序
圖2-7 TEL(Tokyo Electronic Limited)公司所生產的軌徑機型號 ACT-12
2.2.2 曝光機
在介紹後端機台曝光機前，先介紹照相機的功能，因為曝光機功能類似照相機，
能將積體電路的圖案精準的定義在晶圓上。
一般相機由相機(圖 2-8)本身加上鏡頭組合而成，裝上感光的底片後，攝影師對準 目標取景，調整焦距，設定光圈，再按下快門，即完成照相曝光的動作，當然現代的 相機幾乎都可在按一下快門時，全自動完成一連串的對焦距及調整光圈及快門時間的 動作，等完成所有的照相工作後，攝影師回到暗房將底片取出(因為怕底片曝光)，開 始以顯影劑及定影劑顯影底片，完成顯影後的底片，再經過沖印，就成了照片。
圖2-8 照相機構造
曝光的技術很複雜，但基本的原理很簡單，與照相的原理很類似：首先先在晶片 上塗上一層光阻(感光材料，作用如同底片)來自光源的平行光，經過光罩後，便投射
曝光的技術很複雜，但基本的原理很簡單，與照相的原理很類似：首先先在晶片 上塗上一層光阻(感光材料，作用如同底片)來自光源的平行光，經過光罩後，便投射