光刻基本知識介紹 (optical lithography)
隨著科技的進步，微電子工業的製造技術一日千里，其中微影技術扮演著最重要的角色之一。 只要關於圖形上的定義（patterning），皆需要使用微影技術，本文將對一般最常使用的光學微影技術（optical lithography）作一簡單的介紹。
所謂的光微影術，簡單的說就是希望將設計好的線路圖形，完整且精確地複製到晶圓上。如圖一所示，半導體廠首先需將設計好的圖形製作成光罩 （photo mask），應用光學成像的原理，將圖形投影至晶圓上。由光源發出的光，只有經過光罩透明區域的部分可以繼續通過透鏡，而呈像在晶圓表面。
晶圓表面事先需經清潔處理，再塗抹上類似底片功能的感光化學物質，稱為光阻劑 (photo resist）。 通過光罩及透鏡的光線會與光阻劑產生反應， 通常我們稱此步驟為**。
圖一：為標準光微影製程，**源通過光罩、透鏡，最後將光罩圖形成像於晶圓上。(取自ref. 1)
**後的晶圓需再經顯影 ( development ) 步驟，以化學方式處理晶圓上**與未**的光阻劑，即可將光罩上的圖形完整地轉移到晶元上，然後接續其他的製程。因此在光微影技術中，光罩、光阻劑、光阻塗佈顯影裝置、對準**系統等，皆是在不同的製程中，可以視需要選擇使用不同的光阻劑，以移除或保留選定的圖形，類似雕刻中的陰刻或陽刻技巧。如圖二所示，右邊使用的是正光阻，經光罩阻擋而未**的部份可以保護底下的晶圓，**的部份最後則經蝕刻移除；圖左使用的是負光阻，移除的是**的部份。
圖二：選擇使用不同的光阻劑的製程；右下圖使用的是正光阻，左下圖使用的是負光阻。 (取自ref. 2)
一般來說， ic的密度越高，操作速度越快、平均成本也越低，因此半導體廠商無不絞盡腦汁要將半導體的線寬縮小，以便在晶圓上塞入更多電晶體。然而，光微影術所能製作的最小線寬與光源的波長成正比 (稍後解釋) ，因此要得到更小的線寬，半導體製程不得不改採波長更短的光源。
如圖三所示，隨著光源波段的不同，製程技術已經由g-line(436nm)、i-line (365nm)的0.35~0.5微公尺，進展到目前的krf (248nm)及arf(193nm)的0.
25~0.1微公尺的製程技術，雖然原則上可以製造出更微小的電子元件，但伴隨而來的是成本的增加及製程上的困難。 因此，隨著元件尺寸持續縮小，光微影技術已成為半導體製程的最大瓶頸，若是無法加以突破，半導體工業的發展勢將受到阻礙。
圖三：不同波長的光源，適用於不同的線寬尺寸。光源的能量越高，波長越短，可製作的線寬越小。 (取自ref. 3)
根據雷利準則(rayleigh criterion) ，光學系統所能夠分辨出的最小寬度( 相當於解析度)，與光的波長(λ)成正比，而與數值孔徑(na)成反比，亦即
這就是所謂的「繞射極限」 (diffraction limit)。根據這個關係式，若使用較短波長的**源，或是數值孔徑(na)較大的透鏡，理論上可以提高解析能力，換言之可以獲得較小的線寬。
然而，還有其他因素也必須納入考量。根據雷利準則的另一關係式，
我們發現不論使用波長較短的光源， 或數值孔徑較大的透鏡，都會使得聚焦深度(depth of focus, dof)變小。 不幸的是，通常聚焦深度越大，越適合量產，所以如何妥善搭配光源與透鏡， 既使線寬縮小 ，又能維持產量， 向來是半導體業者最大的挑戰。
一般來說， 半導體業者會先嘗試調整na來改善解析度， 待聚焦深度無法符合量產條件時， 才會想要轉換波長更短的光源。這是因為每換一種**源，相關的裝置如**機台、 光阻劑等皆需做相應的調整，會牽涉到大量的人力、物力及時間，困難度很高。有鑑於此，在進入更小線寬的微影技術領域前，如何善用目前的微影技術(含裝置及材料)，又能進入奈米尺度，成為乙個相當重要的議題。
此處我們簡單介紹幾種可以改善目前解析度的方法，包括離軸照明 (off-axisillumination ) 、相偏移光罩 ( phase shift mask ) 以及鄰近效應修正 ( optical proximity correction )。
離軸照明(off-axis illumination)：
經由光罩而散射出來的光束，繞射角度相當大，透鏡的數值孔徑必須夠大，才能充分收集這些帶有光罩圖形資料的光束，然而根據(2)式，數值孔徑增加會使聚焦深度減少，反而不利於量產。 如果我們能適當地安排使入射光與光罩平面夾一角度，第零階繞射光不再成垂直入射，聚焦深度便可增加，相當於在相同的數值孔徑下提高解析度。
圖四：左圖為使用傳統光罩的三光束成像系統；右圖為利用環形光罩產生的離軸照
圖五：(a)為單一光點的繞射圖形，(b)為兩光點彼此互相乾射的結果，(c)當兩光點的距離太小時，則無法分辨光點位置。 (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2023年提出，特色是只需稍微修改一般的光罩，就能使**圖形的線寬縮小。
其概念很簡單，就是在傳統光罩的圖形上，選擇性地在透光區加上透明但能使光束相位反轉180的反向層，用此光罩來進行微影製程，可使**系統之解析能力大增，原因如下：
根據繞射原理，行經不同相鄰透光區之光線，其影像會因繞射效應而互相干涉，當兩個影像重疊超過一定程度時，觀察者就無法解析，如圖五所示。
由於光是電磁波的一種，我們觀察到的光強度變化，其實是電場的平方。如圖六左側所示，當圖形線寬過小時，若使用傳統光罩，則強度變化將弱至無法解析。
若能利用某種透明且可使光的相位改變180度的特殊物質，將它選擇性置於透光區中，則如圖六右側所示，疊加後的電場在正負號變化處為零，這些零電場點亦為零強度點，如此強度的相對變化加大，解析度因而提高。
圖六：左側為使用傳統光罩；當線寬太小時，電場強度將無法分辨。右側為使用相偏移光罩，電場強度變得清析可辨。(取自ref. 6)
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