光微影術 (Optical Lithography)
NCHC奈米科學研究小組 蘇俊鐘 2005/03/23 隨著科技的進步，微電子工業的製造技術一日千里，其中微影技術扮演著最重要的角色之一。 只要關於圖形上的定義（patterning），皆需要使用微影技術，本文將對一般最常使用的光學微影技術（Optical Lithography）作一簡單的介紹。
所謂的光微影術，簡單的說就是希望將設計好的線路圖形，完整且精確地複製到晶元上。如圖一所示，半導體廠首先需將設計好的圖形製作成光罩（photo mask），應用光學成像的原理，將圖形投影至晶元上。由光源發出的光，只有經過光罩透明區域的部分可以繼續通過透鏡，而呈像在晶元表面。
晶元表面事先需經清潔處理，再塗抹上類似底片功能的感光化學物質，稱為光阻劑 (photo resist）。 通過光罩及透鏡的光線會與光 阻 劑 產生反應， 通常我們稱此步驟為曝光。
圖一：為標準光微影製程，曝光源通過光罩、透鏡，最後將光罩圖形成像於晶元上。(取自Ref. 1)
曝光後的晶元需再經顯影 ( development ) 步驟，以化學方式處理晶元上曝光與未曝光的光阻劑，即可將光罩上的圖形完整地轉移到晶片上，然後接續其他的製程。因此在光微影技術中，光罩、光阻劑、光阻塗佈顯影設備、對準曝光系統等，皆是在不同的製程中，可以視需要選擇使用不同的光阻劑，以移除或保留選定的圖形，類似雕刻中的陰刻或陽刻技巧。如圖二所示，右邊使用的是正光阻，經光罩阻擋而未曝光的部份可以保護底下的晶元，曝光的部份最後則經蝕刻移除；圖左使用的是負光阻，移除的是曝光的部份。
圖二：選擇使用不同的光阻劑的製程；右下圖使用的是正光阻，左下圖使用的是負光阻。 (取自Ref. 2)
一般來說， IC的密度越高，操作速度越快、平均成本也越低，因此半導體廠商無不絞盡腦汁要將半導體的線寬縮小，以便在晶元上塞入更多電晶體。然而，光微影術所能製作的最小線寬與光源的波長成正比 (稍後解釋) ，因此要得到更小的線寬，半導體製程不得不改採波長更短的光源。
如圖三所示，隨著光源波段的不同，製程技術已經由G-line(436nm)、I-line (365nm)的0.35~0.5微米，進展到目前的KrF (248nm)及ArF(193nm)的0.25~0.1微米的製程技術，雖然原則上可以製造出更微小的電子元件，但伴隨而來的是成本的增加及製程上的困難。 因此，隨著元件尺寸持續縮小，光微影技術已成為半導體製程的最大瓶頸，若是無法加以突破，半導體工業的發展勢將受到阻礙。
圖三：不同波長的光源，適用於不同的線寬尺寸。光源的能量越高，波長越短，可製作的線寬越小。 (取自Ref. 3)
根據雷利準則(Rayleigh criterion) ，光學系統所能夠分辨出的最小寬度( 相當於解析度 )，與光的波長(λ)成正比，而與數值孔徑(NA)成反比，亦即
這就是所謂的「繞射極限」 (diffraction limit)。根據這個關係式，若使用較短波長的曝光源，或是數值孔徑(NA)較大的透鏡，理論上可以提高解析能力，換言之可以獲得較小的線寬。
然而，還有其他因素也必須納入考量。根據雷利準則的另一關係式，
我們發現不論使用波長較短的光源， 或數值孔徑較大的透鏡，都會使得聚焦深度(Depth of Focus, DOF)變小。 不幸的是， 通常聚焦深度越大，越適合量產，所以如何妥善搭配光源與透鏡， 既使線寬縮小 ， 又能維持產量， 向來是半導體業者最大的挑戰。
一般來說， 半導體業者會先嘗試調整NA來改善解析 度， 待聚焦深度無法符合量產條件時， 才會想要轉換波長更短的光源。這是因為每換一種曝光源，相關的設備如曝光機台、 光阻劑等皆需做相應的調整，會牽涉到大量的人力、物力及時間，困難度很高。有鑑於此，在進入更小線寬的微影技術領域前，如何善用目前的微影技術(含設備及材料)，又能進入奈米尺度，成為一個相當重要的議題。
此處我們簡單介紹幾種可以改善目前解析度的方法，包括離軸照明 (off-axis illumination ) 、相偏移光罩 ( phase shift mask ) 以及鄰近效應修正 ( optical proximity correction )。
離軸照明(off-axis illumination)： 經由光罩而散射出來的光束，繞射角度相當大，透鏡的數值孔徑必須夠大，才能充分收集這些帶有光罩圖形資料的光束，然而根據(2)式，數值孔徑增加會使聚焦深度減少，反而不利於量產。 如果我們能適當地安排使入射光與光罩平面夾一角度，第零階繞射光不再成垂直入射，聚焦深度便可增加，相當於在相同的數值孔徑下提高解析度。
圖四：左圖為使用傳統光罩的三光束成像系統；右圖為利用環形光罩產生的離軸照
圖五：(a)為單一光點的繞射圖形，(b)為兩光點彼此互相干射的結果，(c)當兩光點的距離太小時，則無法分辨光點位置。 (取自Ref. 5)
相偏移光罩(phase shift mask)： 此方法主要由IBM的M. D. Levenson等人在1982年提出，特色是只需稍微修改一般的光罩，就能使曝光圖形的線寬縮小。其概念很簡單，就是在傳統光罩的圖形上，選擇性地在透光區加上透明但能使光束相位反轉180∘的反向層，用此光罩來進行微影製程，可使曝光系統之解析能力大增，原因如下：
根據繞射原理，行經不同相鄰透光區之光線，其影像會因繞射效應而互相干涉，當兩個影像重疊超過一定程度時，觀察者就無法解析，如圖五所示。
由於光是電磁波的一種，我們觀察到的光強度變化，其實是電場的平方。如圖六左側所示，當圖形線寬過小時，若使用傳統光罩，則強度變化將弱至無法解析。
若能利用某種透明且可使光的相位改變180度的特殊物質，將它選擇性置於透光區中，則如圖六右側所示，疊加後的電場在正負號變化處為零，這些零電場點亦為零強度點，如此強度的相對變化加大，解析度因而提高。
圖六：左側為使用傳統光罩；當線寬太小時，電場強度將無法分辨。右側為使用相偏移光罩，電場強度變得清析可辨。(取自Ref. 6)
此外，還有一種名為光學鄰近修正術(optical proximity correction)的方法，可將現有的光源應用在更小線寬的製程上。當線寬尺寸逼近光波長時，光線穿過光罩後會產生繞射，這些繞射光疊加的結果會與光罩上的圖形相去甚遠，曝光後的圖形因而嚴重失真。
光學鄰近修正術便是將繞射的效應考慮進去，為了補償曝光後圖形的失真，藉由修改光罩上的圖形，使產生的繞射光在疊加後能得到符合實際要求的圖形與線寬。如圖七所示，欲在晶元上製造長方形圖案，光罩上對應的圖形不再是相同的長方形，而必需在稜角處做一些變化(右二圖)，以消除繞射造成稜角鈍化的現象(左二圖)。
圖七:左圖為使用傳統光罩，曝光後的圖形會因繞射而失真；右圖為利用光學效應鄰近修正術所製造的光罩，可補償繞射造成的失真。 (取自Ref. 7)
元件尺寸的縮微是目前半導體產業的趨勢，除了開發新的曝光源外，應用一些特殊方式來輔助原有的製程，亦可相當程度達到縮小尺寸的目的。除此之外，尋找新穎的微影技術，以突破光微影術的極限，也是目前最重要的課題之一，例如電子束微影束即是眾所矚目的替代方法之一。不過，在相關的技術細節、成本、時效等因素的考量之下，我們可以預見在最近的未來，光微影術仍然是半導體業者「雖不滿意，但能接受」的主要選擇。
參考資料：
(1)
http://nano.nchc.org.tw/dictionary/(1)%20http:...rticles2/intel-65nm/(2)
http://britneyspears.ac/physics/fa...lithography.htm(3)
http://nano-taiwan.sinica.edu....nferences.ASP，"陳啟東教授電子束微影製程簡介"
(4)
http://www.medeaplu...st2004/(5)
http://www.microscopy.fsu.edu/primer/l...ractionhome.html(6)
http://http://courses.nus.edu.sg/course/ph...asking/phase-sh.htm(7)
http://%20http://www.masktools.c...e_end_opc.htm[/url]
(8)積體電路製程及設備技術手冊/張俊彥主編
