知識力

❒ 光罩的定義
將數百萬個電晶體(CMOS)的幾何圖形第一次縮小，以電子束刻寫在石英片上就形成「光罩(Photomask)」或「倍縮光罩(Reticle)」，是製作積體電路(IC)非常重要的工具，兩個名詞在嚴格定義時有些差異：
➤光罩(Photomask)：當光罩上的圖形線寬與投射到矽晶圓上的線寬相同沒有縮小，也就是尺寸1:1，光罩與晶圓(Wafer)上的晶片(Chip)尺寸相同時稱為「光罩(Photomask)」，光罩一般會直接放在晶圓上與晶圓接觸，屬於「接觸式曝光」。
➤倍縮光罩(Reticle)：當光罩上的圖形線寬與投射到矽晶圓上的線寬不同有縮小，也就是尺寸n:1(目前晶圓廠內大多使用4:1到10:1)，光罩與晶圓(Wafer)上的晶片(Chip)尺寸不同時稱為「倍縮光罩(Reticle)」，因為光罩上的圖形線寬投射到矽晶圓上有縮小，因此稱為「倍縮」。倍縮光罩一般會放在會聚透鏡(Condenser lens)與投影透鏡(Projection lens)之間，不會與晶圓接觸，屬於「非接觸式曝光」。

❒ 光罩的製作
使用電子束將所需圖形刻寫在石英片上進行光罩製作的機器稱為「電子束刻寫機(E beam writer)」，目前主要是由國際大廠生產這種設備，例如：美商應用材料公司(Applied Materials)、科林公司(Lam Research)等，光罩的製作流程如＜圖一＞所示，其詳細步驟如下：
➤金屬濺鍍：使用濺鍍法在石英片上成長金屬鉻(Cr)薄膜，如＜圖一(a)＞所示。
➤光阻塗佈：接著使用光阻塗佈機在表面塗佈光阻層，如＜圖一(b)＞所示。
➤電子束刻寫：直接以電子束將光罩圖形刻寫在光阻上，被電子束刻寫過的區域光阻化學鍵結被破壞，使光阻很容易被化學藥品溶解掉，如＜圖一(c)＞所示，假設電子束的直徑大小約為1μm(微米)，則光罩上刻好的圖形線寬大約1μm，假設電子束的直徑大小約為100nm(奈米)，則光罩上刻好的圖形線寬大約100nm。
➤化學顯影：使用「第一種化學藥品(顯影液)」將化學鍵結被破壞區域的光阻溶解掉，如＜圖一(d)＞所示，顯影液通常都是有機化學溶劑。
➤蝕刻技術：使用「第二種化學藥品(蝕刻液)」將沒有光阻保護區域的金屬鉻(Cr)溶解掉，如＜圖一(e)＞所示，這個動作稱為「蝕刻(Etching)」，蝕刻液通常都是具有腐蝕性的強酸，例如：硫酸、硝酸、鹽酸、氫氟酸等。知識力www.ansforce.com。
➤光阻去除：使用「第三種化學藥品(去光阻液)」將殘留的光阻溶解掉，如＜圖一(f)＞所示，去光阻液通常也都是有機化學溶劑，但是與顯影液不同。

電子束刻寫所需要的時間是由光罩圖形的複雜程度來決定，超大型積體電路可能含有數十億個電晶體(CMOS)，小型積體電路可能只有數百個電晶體(CMOS)，電子束必須一筆一筆地刻寫，就好像雕刻師傅在雕刻神像一樣，因此必須花費很長的時間，一般大約數十小時之久，所以價格並不便宜。

圖一　光罩的製作步驟。

❒ 光罩的功能
由＜圖二(a)＞可以看出，所謂的光罩其實只是石英片表面附著一層金屬鉻薄膜，這層薄膜上有線寬大約1μm(微米)的開口，當紫外光照射到光罩時，有鉻薄膜的區域會如同鏡子一般將光線反射回去；沒有鉻薄膜的區域(線寬大約1μm的開口)會讓光線穿透石英片，最後投影在光罩的下方。如果光罩下方再加上一個可以聚光的凸透鏡，則可以得到一個與光罩圖形相同但是縮小的影像，這就是積體電路按照設計圖縮小的方法。光罩實際的外觀如＜圖二(b)＞所示，圖中的一個光罩上重覆了相同4個晶片的光罩圖形，每一個光罩圖形有數百萬個CMOS，包含14個不同的「功能單元(Function unit)」，每個功能單元負責某一種運算功能，＜圖二(a)＞只畫出了光罩圖形中的一個電晶體(CMOS)來說明。知識力www.ansforce.com。

圖二　光罩呈像的原理。

❒ 光罩防塵護膜(Pellicle)
積體電路的光學曝光系統必須在非常乾淨的「潔淨室(Clean room)」內操作，但是無論多乾淨仍然免不了會有少量灰塵，如果灰塵直接掉落在光罩上，經由光學曝光系統投影到晶圓上就會產生一個「對焦(Focused)」的陰影，造成投影的圖形錯誤，如＜圖三(a)＞所示；如果在光罩上成長一層「防塵護膜(Pellicle)」，就算掉落灰塵到防塵護膜上，由於防塵護膜有一個厚度，經由光學曝光系統投影到晶圓上就會產生一個「失焦(Defocused)」的陰影，如＜圖三(b)＞所示，因為陰影沒有對焦因此對投影的圖形影響不大，這樣可以提升晶片的良率，同時減少光罩使用時的清潔和檢驗工作。

基本上只要在光罩表面塗佈一層透光的介質就形成「防塵護膜(Pellicle)」了，可以使用浸泡式塗佈(Dip coating)、化學汽相沉積(CVD：Chemical Vapor Deposition)、旋轉塗佈(Spin coating)等方法，重點是塗佈的材料必須能穿透光學曝光系統所使用的紫外光，大部分是使用聚合物類的材料，例如：硝化纖維素(Nitrocellulose)、纖維酯(Cellulose esters)、鐵氟龍(Teflon)等，塗佈厚度大約1微米(μm)就可以了！

圖三　光罩防塵護膜(Pellicle)的原理示意圖。

【延伸閱讀】其他詳細內容請參考「積體電路與微機電產業，全華圖書公司」。＜我要買書＞

【文章圖示】By Peellden - Own work, CC BY-SA 3.0.