微影像控制器
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達成完美電路圖案 精確控制製程變異性是關鍵
艾倫．圖靈(Alan Turing)做到了，他在1952年以數學方式定義了反應擴散系統模型(圖1)，並回答了這個問題。這套系統裡的元件可以彼此互相影響，形成的圖案還會擴散到更大的系統。在這個模型裡，所有的圖案同時具備可預測性與獨特性。儘管圖靈本身是名頂尖的電腦科學專家，而這項研究超出了他的專業領域，但是後人卻能套用其中的邏輯，來預測自然界裡的種種圖案與模式。
圖1 圖靈模式與反應擴散系統
人類指紋是自然界一項獨特的圖案。我們的指紋同時由化學與機械反應構成，所產生的識別因素不但絕無僅有，更是人類一生所繫。這些獨特的圖案不但形成過程複雜，更不容易摧毀。與這類自然界圖案不同的是， 微影成像圖形則是較為容易出錯。
現代的半導體製程工程師，對於包括智慧型手機、醫療器材、自動化車輛或其他裝置電路的效能或功能減損，導致圖形可能遭到破壞的因素，經常感到莫可奈何。當半導體製程技術開始趨於複雜化，從傳統的微影技術進展到雙重、三重乃至於四重圖案，再到極紫外線(EUV)微影成像及定向自組裝(DSA)模式加工技術，這種情況更是屢見不鮮。
多年來，微影技術人員不斷地評估各種圖案構成材料、圖案形成技術及製程變量，以便精準地將各項設計轉移到電路上，最終開發出各項應用成品，讓人類享有更豐富的生活。控制積體電路(IC)晶圓廠裡的這類變量，就能影響圖案的品質，甚至為所有電子裝置帶來潛在影響與有效性(圖2)。
圖2 微影成像圖案形成面面觀
要針對這些變量當中的任何一個進行最佳化處理，都可能為整個製程投入不確定因素，因為每個製程步驟裡的複雜化學反應，隨時可能因為最細微的污染物而遭到中斷。本文將以預測及消除任何可能的變因為主軸，檢視微影成像製程裡各種瑕疵可能帶來的影響及其成因與應對方式。
圖案構成極具挑戰 微影製程重要性不可言喻
在半導體的製程裡，圖案構成步驟是最具挑戰性的一環。隨著摩爾定律不斷鞭策整個產業朝更細緻的功能與特色發展，微影製程便成為當中的成敗關鍵。
為了讓產品持續邁向更高密度結構，多圖案構成技術的廣泛應用，使得光罩層數不斷地增加。更多的層數意味著額外的製程步驟，不但讓週期時間與成本跟著上升，就連良率也可能會下降(圖3)。儘管極紫外線(EUV)技術有望抵銷這項趨勢，但卻無法降低其複雜度。
圖3 製程複雜度與良率的關係
因此，為了持續增加圖案密度，我們必須有效因應製程上的複雜度、光罩層數、週期時間與良率。值此同時，微影技術人員將持續從每一項技術所呈現的一系列製程變異當中，尋找新的解決方案。
隨著製程步驟與微影層數以非線性速率增加，使用的材料也跟著成長，假使增加額外的層數只是單純重複相同的製程，那麼解決方案將一點也不複雜。然而，為了達到不同目的，我們必須在各個光罩層上應用不同的材料。這些材料的整體使用量開始增加，尤其是輔助化學品，以及為了搭配輔助性微影技術而持續使用的各種光阻劑。因此，我們將這些材料之間的反應機制納入考量。
要達成無瑕疵的圖案目標，有賴晶圓廠裡各個部門的通力合作。所有材料及其對下游製程的影響，必須進行有效管理。當所有部門都能精確控制製程的變異性並消除瑕疵率時，才有可能產出完美的圖案(圖4)。
圖4 電路圖案形成環境–整合式相依性
從金屬微粒到氣體分子，各種瑕疵的類型與大小不但差異極大，更可能來自環境各處。微影塗布製程裡的一項瑕疵因素，便是存留在流體裡。在去除污染物的過程中，如何確保化學品不會干擾溶劑、聚合物、光酸發生劑(PAG)與消光劑等重要化學成分的精細混合過程，才是最大的重點。過濾製程對於化學反應形成的干擾， 不但會對圖案形成造成災難性的影響，更可能衍生各種瑕疵，或是導致根本無法產生圖案。
此外，污染物所造成的瑕疵還可能出現在微影部門裡的各個製程(圖5)。舉例來說，塗布製程期間產生的污染物，可能引發各種不同的瑕疵類型。內嵌在錐狀瑕疵等底層裡的粉塵，可能轉變成微橋接圖案之類的瑕疵。塗布範圍的不一致，可能引發不一致的鏡頭焦點與圖案暴露程度，進而導致電氣短路。溶解在顯影液裡的污染物(像是金屬微粒)，可能妨礙圖案的顯影，進而導致電氣短路或是開放式圖案。
圖5 污染對於電路完整度的影響
雖然預防污染物造成特定光罩層出現瑕疵的做法立意良善，但是我們必須全盤檢視整個製程步驟，以確保污染物不會進入整個流體供應鏈。整個製程裡每個流程所出現的污染物，不但會造成圖案瑕疵，最終還將導致裝置故障。
運用純化/過濾技術降低汙染物
如同仰賴產品完整性來維持運作的供應鏈，確保化學品從製造端到晶圓表面接觸期間的純淨無瑕，事實上是不可能的任務。一旦化學品裝入容器，就必須承受空運、陸運與海運的顛簸，最後還必須經過數公尺遠的管線輸送。在這段輸送過程裡，任何一個環節都可能讓化學品遭受污染。
為了防止污染轉變成圖案瑕疵，我們必須結合運用純化與過濾技術。在影像堆疊材料的諸多供應步驟當中，我們會見到污染物的過濾程序。純化顯影液與潤濕材料可去除溶解的污染物。在確保圖案品質的過程中，其他製程步驟裡的相依性同樣扮演著重要的角色。例如，CMP製程裡未能去除的粉塵，可能產生一道細微刮痕，而這道刮痕會在下一次金屬反應中產生一個坑洞，造成圖案短路現象。
顯影機軌道工程師的責任，便是了解可能影響微影技術效能的化學與物理製程變量。另外，他們還能藉由了解純化與過濾變量，設計出一套足以因應瑕疵變異性的整體方式(表1)。
如同欣賞一杯完美沖泡的咖啡一般，微影技術人員對於創造這些完美圖案的科學同樣抱持著敬畏之心。為了享受一口香醇的咖啡，首先必須具備純淨的水質及依照個人喜好研磨到細緻無比的咖啡粉，才能沖泡出一杯濾掛式、冷萃或是濃縮咖啡。經過純化的水質，可以有效去除各種可能影響咖啡濃郁及香醇口感的雜質。咖啡師選用孔隙細緻的濾紙來過濾剛萃取的咖啡原汁，同時去除裡面殘留的咖啡粉(表2)。
如同咖啡沖泡過程，微影製程裡也可能出現各種形式的污染物。這些污染物可能是粗大的微粒或是細小的分子。適當的微影過濾程序必須使用量身訂製的過濾器，以符合各種不同的化學品特性與目標污染物的過濾需要。過濾器必須要能吸引並去除污染物，同時維持特定流率下的化學品純淨無污染。
在針對特定瑕疵開發過濾器與純化器時，可以選擇三個適當的元素組合，進一步縮小有效的污染控制範圍(圖6)，分別為結構、材料與型態和滯留機制。
圖6 污染控制裝置考量
為了有效鎖定瑕疵，選擇適當的過濾器考量組合至關重要。為了了解並最佳化過濾與純化技術，我們必須與污染控制合作夥伴密切合作，藉助其專業能力以達成圖 6所示的組合。
1.薄膜結構在設計上，必須要能充分地攔截污染物。
2.過濾器或純化器結構材質，必須與特定的製程化學性質相符。當聚合物選擇與化學性質不相符時，最終可能導致效能降低。
3.此外，過濾器或純化器在設計上還必須吸引並攔截污染物，同時允許純淨的化學品以定義的流率通過。
達到零污染目標需晶圓/材料/製程三方合作
自然界裡的圖案無論是物理性質還是重複性高的製程圖案，我們總是有辦法加以辨識。殘留在咖啡杯上的指紋，實際上是自然界圖案以及高重複性、高品質製程的完美交集。無論所運用的半導體技術節點為主流還是一流狀態，透過創新科學來產生完美的圖案才是成功的秘訣。
以一年前所生產的晶片為例，同樣的晶片設計在今日來看可能會有截然不同的效能需求，採用的製程變量也會不同。晶圓廠工程師必須持續考量製程範圍裡各種可能影響整個生產系統的變量與變更，才能維持領先地位。當控制系統不夠完備，在圖案形成期間所產生的瑕疵便可能導致裝置故障，進而影響良率與利潤。隨著圖案趨於複雜，晶圓廠開始針對圖案形成材料大量採用各種過濾與純化技術，而此舉卻也帶來了更高的生產敏感度。
儘管所有晶圓廠都聲稱要邁向零粉塵與零污染的目標，但是成效卻微乎其微。追求完美的零瑕疵境界需要晶圓廠主管、製程工程師與材料供應商的通力合作，一同評估與探詢可消除變異性的最佳成效。