光微影术 (Optical Lithography)
NCHC奈米科学研究小组 苏俊钟 2005/03/23 随着科技的进步，微电子工业的制造技术一日千里，其中微影技术扮演着最重要的角色之一。 只要关于图形上的定义（patterning），皆需要使用微影技术，本文将对一般最常使用的光学微影技术（Optical Lithography）作一简单的介绍。
所谓的光微影术，简单的说就是希望将设计好的线路图形，完整且精确地复制到晶元上。如图一所示，半导体厂首先需将设计好的图形制作成光罩（photo mask），应用光学成像的原理，将图形投影至晶元上。由光源发出的光，只有经过光罩透明区域的部分可以继续通过透镜，而呈像在晶元表面。
晶元表面事先需经清洁处理，再涂抹上类似底片功能的感光化学物质，称为光阻剂 (photo resist）。 通过光罩及透镜的光线会与光 阻 剂 产生反应， 通常我们称此步骤为曝光。
图一：为标准光微影制程，曝光源通过光罩、透镜，最后将光罩图形成像于晶元上。(取自Ref. 1)
曝光后的晶元需再经显影 ( development ) 步骤，以化学方式处理晶元上曝光与未曝光的光阻剂，即可将光罩上的图形完整地转移到晶片上，然后接续其他的制程。因此在光微影技术中，光罩、光阻剂、光阻涂布显影设备、对准曝光系统等，皆是在不同的制程中，可以视需要选择使用不同的光阻剂，以移除或保留选定的图形，类似雕刻中的阴刻或阳刻技巧。如图二所示，右边使用的是正光阻，经光罩阻挡而未曝光的部份可以保护底下的晶元，曝光的部份最后则经蚀刻移除；图左使用的是负光阻，移除的是曝光的部份。
图二：选择使用不同的光阻剂的制程；右下图使用的是正光阻，左下图使用的是负光阻。 (取自Ref. 2)
一般来说， IC的密度越高，操作速度越快、平均成本也越低，因此半导体厂商无不绞尽脑汁要将半导体的线宽缩小，以便在晶元上塞入更多电晶体。然而，光微影术所能制作的最小线宽与光源的波长成正比 (稍后解释) ，因此要得到更小的线宽，半导体制程不得不改采波长更短的光源。
如图三所示，随着光源波段的不同，制程技术已经由G-line(436nm)、I-line (365nm)的0.35~0.5微米，进展到目前的KrF (248nm)及ArF(193nm)的0.25~0.1微米的制程技术，虽然原则上可以制造出更微小的电子元件，但伴随而来的是成本的增加及制程上的困难。 因此，随着元件尺寸持续缩小，光微影技术已成为半导体制程的最大瓶颈，若是无法加以突破，半导体工业的发展势将受到阻碍。
图三：不同波长的光源，适用于不同的线宽尺寸。光源的能量越高，波长越短，可制作的线宽越小。 (取自Ref. 3)
根据雷利准则(Rayleigh criterion) ，光学系统所能够分辨出的最小宽度( 相当于解析度 )，与光的波长(λ)成正比，而与数值孔径(NA)成反比，亦即
这就是所谓的「绕射极限」 (diffraction limit)。根据这个关系式，若使用较短波长的曝光源，或是数值孔径(NA)较大的透镜，理论上可以提高解析能力，换言之可以获得较小的线宽。
然而，还有其他因素也必须纳入考量。根据雷利准则的另一关系式，
我们发现不论使用波长较短的光源， 或数值孔径较大的透镜，都会使得聚焦深度(Depth of Focus, DOF)变小。 不幸的是， 通常聚焦深度越大，越适合量产，所以如何妥善搭配光源与透镜， 既使线宽缩小 ， 又能维持产量， 向来是半导体业者最大的挑战。
一般来说， 半导体业者会先尝试调整NA来改善解析 度， 待聚焦深度无法符合量产条件时， 才会想要转换波长更短的光源。这是因为每换一种曝光源，相关的设备如曝光机台、 光阻剂等皆需做相应的调整，会牵涉到大量的人力、物力及时间，困难度很高。有鉴于此，在进入更小线宽的微影技术领域前，如何善用目前的微影技术(含设备及材料)，又能进入奈米尺度，成为一个相当重要的议题。
此处我们简单介绍几种可以改善目前解析度的方法，包括离轴照明 (off-axis illumination ) 、相偏移光罩 ( phase shift mask ) 以及邻近效应修正 ( optical proximity correction )。
离轴照明(off-axis illumination)： 经由光罩而散射出来的光束，绕射角度相当大，透镜的数值孔径必须够大，才能充分收集这些带有光罩图形资料的光束，然而根据(2)式，数值孔径增加会使聚焦深度减少，反而不利于量产。 如果我们能适当地安排使入射光与光罩平面夹一角度，第零阶绕射光不再成垂直入射，聚焦深度便可增加，相当于在相同的数值孔径下提高解析度。
图四：左图为使用传统光罩的三光束成像系统；右图为利用环形光罩产生的离轴照
图五：(a)为单一光点的绕射图形，(b)为两光点彼此互相干射的结果，(c)当两光点的距离太小时，则无法分辨光点位置。 (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，就能使曝光图形的线宽缩小。其概念很简单，就是在传统光罩的图形上，选择性地在透光区加上透明但能使光束相位反转180∘的反向层，用此光罩来进行微影制程，可使曝光系统之解析能力大增，原因如下：
根据绕射原理，行经不同相邻透光区之光线，其影像会因绕射效应而互相干涉，当两个影像重叠超过一定程度时，观察者就无法解析，如图五所示。
由于光是电磁波的一种，我们观察到的光强度变化，其实是电场的平方。如图六左侧所示，当图形线宽过小时，若使用传统光罩，则强度变化将弱至无法解析。
若能利用某种透明且可使光的相位改变180度的特殊物质，将它选择性置于透光区中，则如图六右侧所示，叠加后的电场在正负号变化处为零，这些零电场点亦为零强度点，如此强度的相对变化加大，解析度因而提高。
图六：左侧为使用传统光罩；当线宽太小时，电场强度将无法分辨。右侧为使用相偏移光罩，电场强度变得清析可辨。(取自Ref. 6)
此外，还有一种名为光学邻近修正术(optical proximity correction)的方法，可将现有的光源应用在更小线宽的制程上。当线宽尺寸逼近光波长时，光线穿过光罩后会产生绕射，这些绕射光叠加的结果会与光罩上的图形相去甚远，曝光后的图形因而严重失真。
光学邻近修正术便是将绕射的效应考虑进去，为了补偿曝光后图形的失真，藉由修改光罩上的图形，使产生的绕射光在叠加后能得到符合实际要求的图形与线宽。如图七所示，欲在晶元上制造长方形图案，光罩上对应的图形不再是相同的长方形，而必需在棱角处做一些变化(右二图)，以消除绕射造成棱角钝化的现象(左二图)。
图七:左图为使用传统光罩，曝光后的图形会因绕射而失真；右图为利用光学效应邻近修正术所制造的光罩，可补偿绕射造成的失真。 (取自Ref. 7)
元件尺寸的缩微是目前半导体产业的趋势，除了开发新的曝光源外，应用一些特殊方式来辅助原有的制程，亦可相当程度达到缩小尺寸的目的。除此之外，寻找新颖的微影技术，以突破光微影术的极限，也是目前最重要的课题之一，例如电子束微影束即是众所瞩目的替代方法之一。不过，在相关的技术细节、成本、时效等因素的考量之下，我们可以预见在最近的未来，光微影术仍然是半导体业者「虽不满意，但能接受」的主要选择。
参考资料：
(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，"陈启东教授电子束微影制程简介"
(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)积体电路制程及设备技术手册/张俊彦主编
