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

起始劑(initiator)其實是 photo radicals 產生，即在曝光後產生 radicals，

進而發生交差聚合反應，此反應在室溫即可進行，也屬於對曝光較關鍵的(可 不用PEB)。圖 3-5 是 Red、Green 和 Blue 對 i-line 的穿透率頻譜(transmittance spectra)，以 Red layer 的 transmittance 最高(~ 20 % at 1.0um)，可想而知只要 所有的製程參數設定相同，Red layer 的光阻剝落極限必定最大，Blue layer 最小。同時此頻譜也透露出，Green layer 和 Blue layer 的製程條件遠較 Red layer 難修正許多，因穿透率隨膜厚提高下降速度過快，在 1.0 um 時，兩者 的穿透率近乎於零。

圖 3- 5 彩色濾光片 RGB 對 i-line 的穿透率頻譜(transmittance spectra) 以0.25 EP Shuttle 2 為例，RGB 光阻剝落極限整理成下表 3-4，CAD pitch 為5.6PB 和 PEB 的設定是利用溫度 matrix 來搜尋最佳條件。Ep 為最低不 會光阻剝落的曝光量，Eo 為兩倍 Ep，以上的數據是建構在 0.6um 膜厚，若 是膜厚1.0um 時，Ep 將 up-shift，因為膜厚愈厚，穿透率愈低，愈易光阻剝 落。而Blue 對 i-line 的穿透率最低，亦較易光阻剝落，故將 PEB 設得較高 (80°C/90sec)。

表 3- 4 彩色濾光片光阻剝落極限

對光阻殘留極限而言，特別是pigment 殘留常是關鍵。在敘述 pigment 殘留之前，先簡介CF layout，目前業界大都採用 Bayer color filter array，主 要原因是光線干擾較少和具有較好的色彩解析力，pattern layout 如圖 3-6，

Red 和 Blue 都是獨立的 pattern，只有 Green 是 dense pattern，每一個 Red 和 Blue 四方皆是 Green，由此可知以 single layer 而言，Green 因四周沒有 間隙，residue 沖洗的效率較差，故 Green layer 的光阻殘留通常較嚴重。

圖 3- 6 彩色濾光片圖案 Layer

下圖 3-7 是 Red 和 Blue 的 SEM 照片(製程條件如前述)，小顆粒的 residue 尚可接受，而 Green 僅在 pattern 的周遭較嚴重，其餘區域雖不比 Red 和 Blue 佳，但仍在可接受的範圍內，且 Green 是 RGB 中最後上的 layer (B→R→G)，故不必擔心光阻殘留。Green pattern 間的 cross-linkage 程度不 足會影響到光阻剝落極限，可用提高曝光量或光罩over-sizing (0.1 um/side) 來改善。

Red Blue

Green

圖 3- 7 彩色濾光片紅藍綠單獨 Pattern SEM 示意圖

這次RGB 排列順序為 B→R→ G，與之前的排列順序是一樣的，Blue 之所以優先上的原因是為了增加sensitivity，若 Blue layer 太厚，將使 sensitivity 過低，故 Blue 必定最薄，又因最薄的 layer 必須先上，因段差問 題會造成膜厚控制上的困難。Green 之所以最後上的原因是基於光阻剝落和 光阻殘留的考量，因 Green 的光阻剝落和光阻殘留極限皆較 Red 差，若最 後上將可避免光阻殘留。下圖 3-8 為 B→R 和 B→R→ G 的 SEM 照片，製程 條件除了轉速不同之外，其餘皆相同，膜厚估計Blue layer 0.6um、Red layer

1.0 um 和 Green layer 1.0um，因此從膜厚高低的判斷，即可得知何者為 Blue layer，何者為 Red layer。在 B→R 中，有輕微殘留情況，但尚可接受，而在 B→R→G 中，RGB pattern 並不是緊密接合，曝光量需要再提高，以確保無 間隙。

B→R B→R→ G 圖 3- 8 彩色濾光片紅藍綠 Pattern SEM 示意圖

在烘烤後，RGB 收縮量顯示如下(CAD pitch=5.6 um )，RGB 各顏色的 曲線分別代表烘烤前的CD trend，粉紅色的曲線代表各顏色烘烤後的 CD trend，平均的收縮量~ 0.15um。

圖 3- 9 彩色濾光片藍色光阻烘烤後收縮量示意圖

G G

圖 3-9 彩色濾光片紅色光阻烘烤後收縮量示意圖

圖 3- 10 彩色濾光片綠色光阻烘烤後收縮量示意圖

請注意，上述資料是建構在膜厚為0.6um 上，若不同膜厚須再 check。以 烘 烤後之CD 為準，若 RGB 要改變 0.1um 之 CD，則 Red、Green 和 Blue 的

請注意，上述資料是建構在膜厚為0.6um 上，若不同膜厚須再 check。以 烘 烤後之CD 為準，若 RGB 要改變 0.1um 之 CD，則 Red、Green 和 Blue 的