積體電路每一道製程都需要精細圖案，先進的微影製程技術可以避免光繞射現象增進解析度，滿足奈米尺寸線條的需求。
20-1 微影蝕刻術
20-2 光罩之製作
20-3 光微影術20-4 解析增強微影術
20-5 微影術之光源
20-1 微影蝕刻術 (Lithography)
微影蝕刻術可分為三個範疇，此三者對於將圖案成功地移轉至晶圓表面都是必要的。此三範疇是：
1. 製造光罩(mask)，其上圖案要被移轉至晶圓表面上。
2. 使用一種對光敏感的膜為光阻劑 (photoresist) 的感光膜塗佈在晶圓表面上，將光罩上的圖案經由照像顯影技術移轉至晶圓表面光阻劑上。
3. 經程序2後可直接用於離子佈植中；如果要用於擴散中，因光阻劑不能直接用於高溫之擴散中，晶圓表面需先生長一層二氧化矽，將光阻劑圖案經蝕刻技術移轉至二氧化矽上，再去除光阻劑後進高溫擴散爐中。
此三範疇都將詳加討論，可以對微影蝕刻術操作之整個範圍得一完整概念。
20-2 光罩之製作(Fabrication of Mask)
在製造出整個積體電路之漫長旅程中的第一步，是要先對電路完成試驗(circuit test)或麵包板試驗(breadboard)。麵包板由獨立元件組合而成，在麵包板上要做一連串的測試以決定當溫度、供應電壓和其它參數改變時，其操作特性是否滿意。當麵包板整個電路測試完畢後，將其轉變積體電路圖案(layout)，再將其轉變多道光罩，以進行積體電路之製作
將多道光罩的影像順序地移轉至晶圓正面，並在每一道光罩影像移轉間進行蝕刻、化學氣相沉積、磊晶、預積、驅入或金屬化等製程步驟，就完成整個積體電路的製程。圖20-1展現將七道光罩移轉至晶圓上之光罩製程，複雜的VLSI光罩多達幾百道。
🔼圖20-1 七道光罩製程中依序將各層次移轉至晶圓上
光罩設計，就是將電路轉換成最終製作在晶圓上之元件或積體電路之設計工作。包括下列步驟：
1. 畫出電路中代表元件之幾何圖形。
2. 將這些元件幾何形安排在一最小空間中，但要使元件間之連接及元件對外連接盡量容易。
3. 將此幾何圖形分解，成為能依IC製程順序處理之各層次。
若使用計算機輔助繪圖(computer aided design-CAD)或用其它工具，則此三步驟可自動進行，但這些輔助工具僅是使設計省事些，創作設計的工作仍是工程師親自要做的。在這三步驟之後，製造光罩的工作才要開始。
利用人力或計算機技術製得上述各層次之圖形，再用光學照相縮小工具，使圖形成為最終尺寸的十倍大。再使用步進和重複 (step-and-repeat)照相機將各層次之圖形以矩陣方式重覆排列並縮小十倍製作在稱為“主“ (“master”)的玻璃感光板上。然後，再用每一層次的主玻璃感光板複製成副 (submaster) 玻璃感光板。最後，複製每一副玻璃感光板成許多”工作感光板”。實際上將影像移轉至晶圓正面的就是用這些工作感光板，就是所謂的光罩(mask)。
視覺上，每一光罩就是在玻璃板上有以矩陣方式排列的相同圖案，每一圖案内有透明與不透明區域，如圖20-2所示。
🔼圖20-2單層光罩
傳統光罩之材質可分為三類：
1. 乳膠光罩 (emulsion mask)：在玻璃片 [適用於436奈米(又稱G-line)及365奈米(l-line)或石英片(適用於248及193奈米深紫外光)上塗佈一層光敏乳膠，經由以具有圖案的紅膠紙做為遮罩曝光、顯影後，再經硬烤固化乳膠形狀，使紅膠紙上之設計圖案轉移至乳膠上。何謂紅膠紙遮罩，紅膠紙為一種上層紅色下層透明的雙層膠紙，圖案的形成是將其上之紅色膠紙依電路圖案部份雕刻後，撕去紅色膠紙，剩下透明膠紙而成，曝光時，留有紅色膠紙部份不透光，透明膠紙部份可透光。
2. 硬面鉻膜光罩(hard-surface cr mask)：在玻璃或石英片上濺鍍一層厚約60-100奈米鉻(chromium,Cr)膜，其上塗佈一層光學微影或電子微影用光阻劑，光阻劑圖案可以用具有圖案的紅膠紙遮罩曝光。或用雷射光、電子束直寫等方式產生。光阻劑經顯影、鉻膜蝕刻及光阻劑清除後可得該式光罩。
3. 抗反射鉻膜光罩 (antireflective Cr mask)：以光學曝光方式製作光罩，對其上之光阻劑定義圖案時，為降低光罩之鉻膜反射，提高光罩上光阻劑解析度，可在鉻膜上增加一層氧化層為抗反射層，常用者為厚約20奈米之氧化鉻(Cr2O3)。該種光罩亦可增加晶圓上光阻劑解析度。
乳膠光罩上之乳膠容易被刮損或撕毀，不耐用。用鉻、矽和氧化鐵代替乳膠，都比乳劑耐用,但相當貴。
20-3 光微影術 (Photolithography)
光微影術就是用一種稱為光阻劑的感光材料，將光罩上的影像移轉至晶圓上。光阻劑是一種化學物質，由感光材料浮懸於溶劑中組成。一般使用的光阻劑會對汞弧光燈發出的藍紫光有所反應，但對一般暗室或光阻區用的紅光或黃光(一般稱為黃光室)不起反應，光罩曝光時一般使用紫外光。光阻劑可分為兩大類：
1. 負光阻劑(negative resist) 一 遇光變硬不易溶解的光阻劑。曝光程序中所用的紫外光使光阻劑高分子化而變硬。缺點是顯影時容易變形，解析度較低。
2. 正光阻劑(positive resist) 一 遇光變軟易溶解的光阻劑。曝光程序中所用的紫外光會使光阻劑高分子分解而變軟。顯影時不易變形，解析度較高。
使用正負光阻劑微影蝕刻之製程如圖20-3所示。
光微影術就是用一種稱為光阻劑的感光材料，將光罩上的影像移轉至晶圆上。光阻劑是一種化學物質，由感光材料浮懸於溶劑中組成。一般使用的光阻劑會對汞弧光燈發出的藍紫光有所反應，但對一般暗室或光阻區用的紅光或黃光(一般稱為黃光室)不起反應，光罩曝光時一般使用紫外光。光阻劑可分為兩大類：
1. 負光阻劑(negativ resist) 一 遇光變硬不易溶解的光阻劑。曝光程序中所用的紫外光使光阻劑高分子化而變硬。缺點是顯影時容易變形，解析度較低。
2. 正光阻劑(positive resist) 一 遇光變軟易溶解的光阻劑。曝光程序中所用的紫外光會使光阻劑高分子分解而變軟。顯影時不易變形，解析度較高。
使用正負光阻劑微影蝕刻之製程如圖20-3所示。
光微影術就是用一種稱為光阻劑的感光材料，將光罩上的影像移轉至晶圆上。光阻劑是一種化學物質，由感光材料浮懸於溶劑中組成。一般使用的光阻劑會對汞弧光燈發出的藍紫光有所反應，但對一般暗室或光阻區用的紅光或黃光(一般稱為黃光室)不起反應，光罩曝光時一般使用紫外光。光阻劑可分為兩大類：
1. 負光阻劑(negativ resist) 一 遇光變硬不易溶解的光阻劑。曝光程序中所用的紫外光使光阻劑高分子化而變硬。缺點是顯影時容易變形，解析度較低。
2. 正光阻劑(positive resist) 一 遇光變軟易溶解的光阻劑。曝光程序中所用的紫外光會使光阻劑高分子分解而變軟。顯影時不易變形，解析度較高。
使用正負光阻劑微影蝕刻之製程如圖20-3所示。
🔼圖20-3 (a)正(b)負光阻之微影蝕刻
任何一種光阻劑都可用於任何應用中，但在某些情況下，使用其中一種會較為便利。有四種參數決定光阻劑的特性，它們是：
1. 黏度(adhension)：光阻劑顯影後再經“後烤”(post-baked)製程，影像邊緣之耐橫向蝕刻能力的量度。
2. 蝕刻阻力(etching resistance)：光阻劑塗在氧化過之晶圓上之耐蝕刻的能力，要觀察光阻劑上是否有破損。
3. 解析度(resolution)：將影像移轉至光阻劑上所能得到最小線寬能力的量度。
4. 感光度(photosensitivity)：對光強度反應能力的量度。
製造商通常會做這些測試以保証其產品品質，使用者也應該做這些測試，以證實光阻劑是否還能適用。
光阻劑中溶劑的量決定光阻劑厚度或黏滯性。光阻劑黏滯性愈大就愈不易流動。例如：蜂蜜較水黏滯性大，因其滴在物體表面上不像水那麼容易散開。光阻劑黏滯性單位用 centipoise或centistoke 量度，這些單位不同，但有密切關係。大部份光阻劑用28-60 centipoise 範圍，也就是使其流動起來像糖漿一樣。
不管使用何種光阻劑或不論將其加在何物上，光微影術都要依順序進行。這些步驟列於光阻劑標準流程圖中如下所示。
基本光阻劑流程圖
| 步驟 | 操作 |
|---|---|
| 1. 基板備製 | 經氧化、化學氣相沉積等處理過的基板。 |
| 2. 表面處理 | 清潔、乾燥等。 |
| 3. 塗上光阻劑 | 旋轉、噴霧、滾筒，沾浸法等。 |
| 4. 軟烤 | 低溫下(80~100°C)烤乾光阻劑。 |
| 5. 曝光 | 光罩對準後曝光，使光阻劑變化。 |
| 6. 顯影 | 溶去沒有曝光區域的光阻劑。 |
| 7. 檢視 | 驗證正確的影像移轉至光阻劑上。 |
| 8. 硬烤 | 用較高溫(100~120°C)完全烤乾光阻劑。 |
| 9. 蝕刻 | 對氧化膜、金屬等之蝕刻。 |
| 10.剝除光阻劑 | 用有機物、酸液除去光阻劑。 |
| 11. 最後檢視 | 驗證正確的影像移轉至光阻膜上。 |
晶圓所需的表面處理，視其所經過的上一道操作步驟情況而定。在許多情況下，例如：晶圓剛從擴散爐或氧化爐或金屬蒸著機拿出，表面非常乾淨即可直接進行微影製程。某些晶圓表面如有氮化矽，或多晶矽或許先需要表面氧化處理使之鈍化，再進行微影製程。材料之氧化是一常用的技術，可如氧化一章所述之情形進行。
另外，為增加光阻劑之黏著性，有一種稱為“準備“(priming)的技術，先將晶圓浸入準備液(primer)中，一般使用六甲基二矽胺 (hexamethyldisilazane-HMDS)為準備液，或將準備液噴灑在晶圓上，或用氣體帶著準備液蒸汽附著在基表面上。這些準備液使用後需烤乾，才能再塗上光阻劑。
在IC製程中，光阻劑可用許多種技術如浸泡(dipping)、噴霧(spraying)、塗刷(brushing)或滾壓法(roller coating)黏著於晶圓上，最為廣用技術還是使用旋轉塗佈機(spinner)塗佈，如圖20-4(a)和20-4(b)所示。
(a)切面圖
(b)外觀圖
🔼圖20-4 旋轉塗佈機
它包括一個晶圓承物器，連在一中空、可旋轉的軸上，用真空吸住晶圓在承物器上。適量的光阻劑滴在晶圓中央，並向外流動覆蓋至整片晶圓，然後開始旋轉晶圓，光阻劑受離心力會均勻的向外轉開塗佈在晶圓上。旋轉速度和光阻劑黏著性決定光阻劑的厚度。圖20-5所示為美國AZ公司出産具有不同黏著係數的光阻劑，其厚度與旋轉速度之關係。
🔼 圖20-5 AZ光阻劑厚度與旋轉速率之關係
要得到均勻的光阻劑膜厚，旋轉速度不能太快也不能太慢，假如：旋轉速度太慢光阻劑在邊緣處就易形成珠狀物，假若旋轉速度太快，由於光阻劑中溶劑中溶劑揮發不均勻就易形成不均勻的膜，光阻劑加上後，過量的溶劑要在軟烤(soft-bake)步驟中自光阻劑中烤去。通常軟烤光阻劑有兩個方法：
1. 熱空氣軟烤：使用循環熱空氣氣流，可除去光阻劑中過量的溶劑。
2. 紅外線(IR)軟烤：使用特殊紅外光燈泡加熱晶圓可使過量溶劑蒸發除去。
溫度與時間是兩個主要控制參數，用太低溫度烘烤需時太長，然而用太高溫度烘烤又會將表面封住，使溶劑存於內部無法蒸發除去，這種條件下會使光阻劑表面有褶皺產生。
軟烤後，晶圓放置一段時間冷後即可進行對準(alignment)步驟，使用精確之光學/機械裝置，將光罩與晶圓靠在一起曝光，每一道光罩間均需精準對齊，即使第一道光罩也要與晶圓平邊對齊。對齊時，用顯微鏡精確控制晶圓位置，光罩上之圖案與光阻下已存在於晶圓表面上的圖案對齊，對齊完後，以高強度汞弧光源開始曝光。
曝光之後，沒有高分子化的光阻劑在顯影步驟中溶去，顯影步驟可將晶圓浸至顯影液(developer)中，或將顯影液噴於晶圓上完成，用噴霧法顯影液用量減少，在許多應用中極為有利。顯影步驟後，光阻劑上圖案的邊界線應非常明顯，之後再用清洗劑(rinse)除去殘留物質。
微影術製程到了這裏，可以檢查光阻劑影像的品質，如果品質不佳尚可將曝光好之光阻圖案清洗掉重新製作，如未檢查而進行下一步驟蝕刻後才發現結果不良，該晶圓則需報廢。檢查步驟，是要驗證光阻劑品質和對準程度是否合乎元件使用。晶圓經過該檢查步驟後準備硬烤，硬烤蒸發更多的溶劑，增加光阻劑在晶圓表面的黏著力，使用 之裝備種類和考慮事項和軟烤中一樣，溫度要高於軟烤，但時間是差不多的。
蝕刻是下一個製程，而且是最重要的。蝕刻最常用的方法是將晶圓浸入先設定好溫度的蝕刻溶液中，蝕刻速率和經驗決定蝕刻時間。假若未被光阻劑保護區蝕刻的很完美，晶圓就可進行下一步。
蝕刻完畢後，除去光阻劑，做最後檢查。光阻劑除去的方法有將其溶於溶劑中，或用熱硫酸除去，或用電漿技術使其氧化除去，目前電漿技術使用愈來愈廣泛，也愈來愈可靠。再進行下一步驟前，晶圓再做最後檢查。不合乎標準的晶圓重新再做，或捨棄不要。所有好的晶圓進行下一步驟處理。
20-4 解析增強微影術 (Resolution Enhancement Techniques)
在IC技術中，具有更高解析度、更大景深和更大的曝光容許度一直是光學曝光系統發展的挑戰，這些需求一直用縮短曝光波長和發展新型光阻來應對。同時，許多解析度增強技術也發展出來，使得光學微影蝕刻能夠適應更小的尺寸。
20-4-1 相移技術 (Phase-Shift Technology)
相移光罩(phase-shift mask,PSM) 是一項重要的解析度增強技術如圖20-6所示。對於傳統的光罩，光透過每個縫隙處的電場強度都是同相如圖20-6(a)所示。由於光的繞射(繞射是光經過邊緣時所產生的彎曲現象，光的分佈範圍較縫隙寬)一個縫隙在晶圓上的電場強度分佈如虛線所示，相鄰縫線的繞射光因重疊增強了縫隙間的電場強度，光强度正比於電場強度的平方，因此兩個光投影的影像彼此太接近就很難區分出來，限制了解析度。將相移層覆蓋於相鄰的縫隙上，將使其電場反相，如圖20-6(b)所示，相鄰縫線的電場會因相位相差180°而互相抵消。因此，影像可以分辨出來。要得到 180°的相位差，可用一透明材料，其厚度為d= λ / 2(n-1)，其中n為相移材料的折射率，λ為波長。
🔼圖20-6 相移光罩解析度增強技術
20-4-2 光學鄰近修正 (Optical Proximity Coerrection -OPC)
繞射效應會嚴重影響光學投影成像，各自的圖案會與鄰近的圖案相互作用，繞射相交疊的結果即所謂的光學鄰近效應，這種效應在製程尺寸和其間距達到光學系統的解析極限時變得越來越突顯。光學鄰近修正 (Optical Proximity Coerrection -OPC)是一種用來減小這種影響增強解析度的技術，該方法利用光罩上幾何圖形的修正來補償因繞射效應所產生的成像誤差，例如：一條寬度接近解析度極限的線，由於兩個角的繞射效應，印出來的是一條帶有圓角的線，如圖20-7(a)所示。圖20-7(b)所示為在線上的邊角上加一些額外的幾何圖案修正，將印出一條更精確的線。
🔼圖20-7 光學鄰近效應
20-4-3 浸潤式微影曝光系統
一個光學投影系統的解析度R通常由透鏡品質決定：
R = kλ / NA (20-1)
λ 是曝光波長，k為一與技術相關的因數，NA為數值孔徑(numerical aperture)
NA = nD/2f (20-2)
n是成像媒質的折射率(通常為空氣，n=1)，Ｄ是透鏡直徑，f 是焦距。
浸潤式微影是一個先進的曝光系統，用於45奈米以下製程，在傳統系統中透鏡和晶圓之間的空氣隙被折射率比較大的液體取代。解析度可通過增加數值孔徑得到增強如式(20-1)，而數值孔徑與成像媒質的折射率成正比如式(20-2)，因此，解析度可依折射率的增加而增加。目前的浸潤式微影曝光系統使用高純度的水(n=1.33)作為成像媒質來製造新一代奈米級CMOS IC。
20-5 微影術之光源(Photolithographic Sources)
微影術在IC製程是指以光束、電子束經由光罩(mask)對晶圓(wafer)上之光阻劑曝光或不經由光罩對光阻劑直接書寫(direct write) ，再經顯影後將光罩之圖案轉移至晶圓。此圖案可供製程，如：離子佈植、金屬蒸鍍，電漿蝕刻之用。
在傳統光罩對準系統中，由於繞射現象，將光罩上圖案之最小尺寸轉移至晶圓上有一極限，其解析度如前節所敘與所用光的波長相關，波長越短其解析度越好。然而，實際問題如晶圓平坦度、光罩平坦度、顆粒等，使這種理想尺寸在生產情況下更不易達到。傳統製程使用汞弧光燈作為曝光之光源，其所發出的波長約為4000Å，使用光學技術所達實際最小線寬尺寸在0.5微米(μm)到1.0微米(μm)間。所以使用較短波長曝光是進行更小線寬製程最主要方法之一。
因應量產需要，微影技術傾向使用近紫外光(neer ultra-violet,NUV)、中紫外線(mid UV, MUV)、深紫外光(deep UV , DUV)、真空紫外光(vacuum UV,VUV)、極深紫外光(extreme UV,EUV)等光源對光阻劑進行曝光或以低能電子束 (〜100eV)，高能電子束(25〜100keV)對光阻劑直接書寫。業界使用之光源除汞弧光燈外，還有KrF氣體雷射(波長248nm)及ArF氣體雷射(波長193nm)。基本概念是朝短波長發展，以避免繞射現象，增加解析度。以下介紹微影術光源中最重要的兩類。
20-5-1 電子束微影曝光系統 (Electron Beam Lithography)
電子束微影為極重要之微影法，適合備製主光罩(master mask)，其重要性與獨一性無法由其他微影技術所取代。
電子是帶電粒子，可視為具有波動性，電子能量愈高，則波長愈短。使用電子束曝光相對應的波長小於1埃(Å)，此外還有些其它的優點。產生電子束的設備目前相當成熟。電子束曝光系統如圖20-8所示：
A.電子源
(1) 熱游離發射(thermionic emission)：
通常以鎢或六硼化鑭(LaB6)單晶體為電子源。鎢電流亮度低，真空度要求低，壽命短。六硼化鑭之電流亮度較鎢高，真空度要求亦較高，壽命較長，故目前廣為使用。
(2) 場發射(field emission)：
場發射以電場吸出電子，較熱離子之電流亮度高，真空度要求亦較高，壽命亦長。較新的發展是使用鋯／氧 / 鎢 (Zr / O / W) 合金以熱 (thermal) 或冷(cold) 場發射提供電子束，較LaB6之電流亮度可提高100~1000倍之多。
B. 電子束曝光方式
(1) 陣列掃描式(raster scan)：電子束配合平台的移動，掃描整個圖形，對有圖案區，電子束打開照射；無圖案區，電子束則自動關閉。此種掃描方式適合晶圓上有大面積圖案者。如同點陣(dot matrix) 式列表機之作用。
(2) 向量掃描式 (vector scan)：電子束直接照射有圖案處，完成照射後，便直接移至另一圖案照射，對無圖案區則不掃描，適合晶圓上僅有小面積圖案者。
(3) 直接照射式(direct exposure)：非掃描法，一次對較大面積直接照射。
🔼圖20-8 電子束微影系統
電子束曝光系統尚有兩個優點：第一，電子束顯微鏡是高放大倍率的工具，將電子射束加系統加以改裝供對準用，加上放大倍就率就可解決光罩對晶圓之對準問題。第二，因為電子束是一束帶電粒子，故可加以偏向掃描或開關，這項能力意謂著不需光罩就可將光阻劑直接書寫，目前廣為使用，非常具有潛力。但是曝光速度慢是電子束曝光最大的問題，急需改進。
20-5-2 極深紫外光微影曝光系統 (Extreme Ultraviolet Lithograhy)
光學微影曝光仍是量產的最佳選擇，增加其解析度的最佳方法就是縮短波長，目前應用於7奈米製程的高解析度微影曝光系統是搭配浸潤式的深紫外光(DUV-deep ultraviolet immersion system) 微影曝光系統，光源使用ArF準分子雷射,，波長193奈米，但再繼續微縮仍嫌不足。
7奈米以下製程使用極深紫外光曝光系統(extreme ultraviolet lithograhy system-EUV)如圖20-9所示，光源使用13.5奈米波長，遠低於DUV，該EUV光束可以從由雷射(例如CO2雷射)產生的高溫高密度電漿(例如錫離子電漿)中取出。極深紫外光波段容易被大部份傳統光學材料吸收，不利於使用穿透或折射式光學元件，故EUV 微影曝光系統使用各類反射式多層膜面鏡構成。
光罩也異於傳統光罩，是通過反射光來工作。EUV光罩由40層交替的矽和鉬層組成反射層，在反射層上還加上一層吸收層，經由光罩及微影蝕刻除去吸收層形成圖案，藉由布拉格繞射在反射層反射EUV光，在吸收層吸收反射EUV光之散射光，通過微縮照相，成像於塗覆在晶圓上的光阻層。目前良率是最大的問題，成本是一次隱憂。
🔼圖20-9 EUV微影曝光系統