半導體元件概論講義 (6/8) 校內專家演講 (1/1) (2007 年教育部影像顯示科技人才培育計畫 ) 黃光微影技術與應用 ( 一 ),( 二 ) 電漿技術在光電產業之應用 黎明技術學院電子系助理教授高振育博士 2007 年 8 月 -12 月 黎明技術學院電機系
黃光微影技術與應用 1
Outline 1.An introduction to Microlithography 2.Lithography Process 3.Next Generation Lithography 4.Lithography Process Apply to Others Electronic Products 5.Conclusion 2
黃光微影成像技術流程 Micro-lithography Coating 光阻銅 substrate UV Exposure 光罩 Positive type photoresist Negative type photoresist 顯影 蝕刻 去光阻 3
黃光室實習操作步驟 (1) 電路設計 光罩製作 4
(2) 光阻塗佈 5
(3) 曝光 6
(4) 顯影 7
(5) PCB 板上顯影結果 8
黃光微影製程 (Photolithography Process) 9
黃光微影製程設備基本成份 1. Light Sources ( 光源 ) 2. Exposure System ( 曝光系統 ) 3. Reticle (Mask) ( 光罩 ) 4. Lens ( 透鏡系統 ) 5. Wafer ( 晶圓 ) 6. Photoresist materials ( 光阻劑 ) 10
黃光微影製程用曝光源系統 Optics( 光學 ) g-line(436nm), h-line(405nm), i-line(365nm) Hg-Xe lamp KrF excimer laser (248nm) lithography ArF excimer laser (193nm) lithography F2(157nm) laser lithography Non-Optics( 非光學 ) EB direct writing (E-Beam) X-ray proximity printing EB projection Ion beam projection EUV(13.5nm or 11.4nm) 11
黃光微影製程步驟 晶圓清洗 晶圓對準 光阻塗怖 預烘烤 曝光 硬烤 顯影 蝕刻 曝光後烘烤 光阻剝除 線路檢查 12
光阻劑旋轉塗佈 (Spin Coating) 製程 利用 Spin Coating 方法來將光阻劑均勻 的塗佈在晶圓表面, 並且必需保持光阻劑 膜厚之均勻性 (uniformity) 13
曝光 (Exposure) 步驟 主要利用曝光光源透過具有線路圖案之光罩後, 再照射到感光材料 ( 光阻劑 ) 上, 使光阻劑發生光化學反應, 而造成光阻劑溶解度的差異. 因此將光罩上之線路圖案完全移轉至晶圓表面, 此步驟稱之為 曝光 14
黃光微影製程曝光系統發展歷史 First Publications Chemically Amplified Resists 1978 First Commercial Wide Field 248nm Stepper 1988 SIA Roadmap 0.25 μm 1997 248 nm ~20 year ~10 year 157nm 1980 1985 1990 1995 2000 2005 ~10 year ~5 year 193 nm First Publications 193nm Resist 1992 First Commercial 193nm Scanners 1998 SIA Roadmap 0.13 μm 2003 15
顯影製程 顯影的目的是將光阻劑經由照射後所定義出的圖案顯現在矽晶圓上 Positive Resist - Area exposed is removed - Uses TMAH developer Negative Resist - Area not exposed is removed - Uses Organic Solvent Developer. 顯影步驟 : Development by Immersion (Batch) Spray (Batch or Single) Puddle (Single) Rinse Dry 16
顯影機制 hu 鹼基 酸基 鹼基 鹼基 酸基 酸基 酸基 鹼基 鹼基 酸基 鹼基 ( 大多為鹼水溶液 ) 顯影液 酸鹼中和而溶解於水溶液中 17
Introduction of Photoresist 18
什麼是光阻劑? 光阻是一種感光材料, 由感光劑 (Sensitizer), 樹脂 (Resin) 及溶劑 (Solvent) 混合而成的材料. 光阻應具備之特性 : (1) 高光源吸收率 (2) 高解析度 (3) 高無感度 (4) 抗蝕劑性 (5) 高附著性 (6) 低黏滯係數 (7) 高對比光阻材料有正負之分, 正光阻受光照射後分子鍵被剪斷 (Chain scission) 因而易溶於顯影液, 因而負光阻分子鍵則會產生交互鏈台 (cross linking) 因而難溶於顯影液 19
負型光阻劑之膨脹 (Swelling) 現象 Exposure mask Cross-link Development Bridging Drying 由於負型光阻劑之線路經過顯影後有 swelling 現象使的線路圖案無法固定且解析度低, 因此在目前 IC 製程中早已經不使用負型光阻劑 20
目前使用之正型光阻劑類型 DNQ-Novolak Resist(G, I-line 光阻劑 ) 化學增幅型光阻劑 (Chemical Amplified Resist) (a).248nm 光阻劑 (b).193nm 光阻劑 (c).157nm 光阻劑 21
蝕刻 1. 電漿蝕刻 (Plasma etching) 2. 濺擊蝕刻 (Sputtering Etching) 3. 活性離子蝕刻 (Reactive ion etching) 22
電漿蝕刻原理 利用電漿將反應氣體分子解離成對薄膜材質 具有反應性 (Reactive) 離子, 然後藉著離子與薄 膜間的化學反應, 將曝露在電漿下的薄膜, 反 應成揮發性生成物而被真空系統抽離, 而進行 薄膜蝕刻動作. 電漿蝕刻具有非等向性蝕刻 (anisotropic) 之優點, 但其選擇性的能力較差, 因此目前發展出具有高選擇性與高非等向性蝕刻能力的 反應性離子蝕刻法 (Reactive Ion Etch, RIE) 23
Next Generation Lithography (NGL) Candidate Technologies 1.F 2 (157nm) 2. Multi-column Electron-Beam Direct Write(MEBDW) 3. Proximity X-ray Lithography (PXL) 4. Ion Projection Lithography (IPL) 5. Extreme UltraViolet lithography (EUV) 6. Electron-beam Projection Lithography (EPL)or (SCALPEL) 24
Lithography Process Apply to Others Electronic Products 25
Printed Circuits Board Fabrication Process Via Hole Pattern Inner layer substrate Photosensitive insulating material Exposure, Develop Etching Photosensitive insulating material Exposure, Develop Panel plating Panel plating and etching *Photosensitive Insulating Material 26
光記錄媒體 Ⅱ λ=630~650 nm 27
彩色 PDP 製作 前板製程 玻璃基板 玻璃基板 後板製程 透明電極形成 Address 電極形成 Bus 電極形成 誘電體層形成 阻隔壁形成 封合層形成 螢光體形成 保護層形成 封合層形成 封 合 加熱 / 抽氣 / 封入氣體 老 化 特性測試 28
Full Color Thin Film Transistor LCD OFF Light Blocked ON Transmitted Light Polarizer Glass substrate R G B Liquid Crystal Black matrix Color Filter Color filter Overcoat Transparent electrode(common) Alignment layer Transparent electrode(drive) Thin film transistor Glass substrate Polarizer 29
Fabrication of color filter Substrate cleaning Resist coating Photo mask UV light Prebaking UV Exposure Development Post baking Overcoat process 3 times (R,G,B) ITO process 30
Waveguide Manufacture Process 31
Conclusion Microlithography is very importance technology and art for any electronic fabrication 32
電漿對材料表面處理改善 黏著性之研究與應用 33
Outline 1. Introduction Plasma e-ptfe Modification 2. Experiment 3. Result and Discussion 4. Conclusion 34
微波電漿系統 Stamp Buffer Waveguide Antenna Antenna Element Plasma Quartz Plate Chamber 35
微波電漿工作原理 利用激發源所發射出的微波 (~ 2.45GHz ) 電場能量, 將其能量波藉由共振腔的傳遞導引至緩衝室 ( buffer chamber ) 內, 透過陣列天線 ( antenna array ) 單元使其能量均勻分配至每一子陣列天線上, 在導引至反應腔室的樣品處理面上 36
Modification 電漿誘發聚合反應 Free Radical Plasma HO H Peroxide OH O O O O O O HO O O H O OH O Monomer Graft-polymerization O O O O O O 37
What is e-ptfe? Expanded poly(tetrafluoroethylene) 利用雙軸延伸之方法, 使得 PTFE 在製造過程中產生多孔 (micropore) 性質之等方性材料 (Iosotropic Material) 節結 (nodes) 纖維 (fibrials) multi-directions pore size 1.0~2.0um 38
Experiment (a) 電漿處理 & 反應性單體接枝共聚合反應 (b) eptfe/cu 押合處理 39
Result and Discussion SEM 分析 pristine e-ptfe Plasma treatment 40
Graft Polymerization SEM分析 41
Plasma treated e-ptfe paac-grafted Polymerization 1hr 2hr 3hr 42
Parameters of Properties of Surface Exposed to Plasma gas, substrate properties reaction conditions -power, pressure, exposure time reactor geometry 43
電漿之功率對過氧化物濃度之影響 The peroxide concentration of eptfe as funtions of microwave power and CO2 plasma irradiation time. 44
不同氣體對過氧化物濃度之影響 The peroxide concentration of eptfe with CO 2, Ar, O 2, N 2 plasma pretreatment vs irradiation time. 45
The Graft Density of eptfe The plot of the graft density of the PAAc grafted eptfe sheet vs. the graft time. 46
ATR-FTIR 光譜分析 paac-grafted Polymerization 47
bsorption Ratio Estimated by the ATR-FTIR 800cm -1 / 638cm -1 48
SEM 斷面 (cross-section) 分析 Grafting 60 um 49
接枝聚合層的深度分析 (FTIR microscopy) 試片斷面從最外層每隔 15u m 往裡面量測 60 um 45 um 30 u m 15 u m 0 um Surface 50
PTFE Raw Material 控制 pore size 應用於生醫材料 ( 皮膚被覆材 人造血管 ) Plasma 耐屈疲勞性高引張強度安定性高介電特性優良 開發高性能介電材料 ( 高頻基板 等 ) 51
單体進入之模型 AAc monomer 在 migrate 的過程中, 在靠近 eptfe 表層部份由於較易形成接枝聚合物, 因此,PAAc 之含量較多 AAc monomer 進入 eptfe 的裡層時, 因為受逐漸堆積的 PAAc 接枝聚合物的影響而無法再進入 eptfe 裡層, 52
Conclusion 1. eptfe sheet 高分子表面經由高離子化密度電漿處理後, 在表面處會發生斷鏈, 形成自由基態或極性之氧化物 ( 或過氧化物 ) 產生 利用自由基反應可使單體 AAc 接枝, 形成具有親水性之表面 2. 電漿前處理可在極短時間 ( 數秒 ) 使氟素高分子表面活化 3. 利用此一能量導引方式來達到大面積的製程處理並改善特殊材料之黏著性, 開發高性能介電材料 ( 高頻基板 等 ), 生醫材料 ( 例如皮膚被覆材 人造血管 等 ) 53