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Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology ‧ 半導體製程技術導論
Ch 5 + 6  加熱製程 ‧ 微影
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本頁導覽 ‧ OVERVIEW

THERMAL × PATTERNING · 先改變材料，再定義圖形

熱決定材料往哪裡走，光決定元件留在哪裡

氧化、擴散與退火會改變材料；塗膠、曝光與顯影則把電路版圖轉到晶圓上。兩者共同受一個看不見的邊界約束：製程視窗。

熱預算溫度 × 時間的累積代價
CD / Focus線寬與焦深必須同時守住
可重工蝕刻前仍有回頭機會
NIST：灰階微影案例
NIST 灰階微影製作的三維微結構影像
真實公開案例：曝光劑量可轉換為三維光阻輪廓。Credit: NIST.
一條圖形化主線
01 · Grow — 長出薄膜氧化劑先抵達矽表面，再穿過既有氧化層反應；膜越厚，擴散路徑越長，成長逐漸變慢。

兩章學習目標

預估 70–90 分鐘

一句話：熱把膜長出來、光把圖印上去——這兩章是最經典的兩個單元製程，也把整學期最重要的一條主線帶進來：熱預算。

Ch5 加熱製程 — 你將能夠

  • 描述爐管設備與批次製程
  • 比較乾/濕氧化，並用 Deal–Grove 說明兩段動力學
  • 說明擴散、退火與摻雜活化
  • 解釋 RTP 為何取代長時間爐管退火
  • 理解「熱預算」貫穿整個製程的意義

Ch6 微影 — 你將能夠

  • 說明光阻組成與正/負光阻差異
  • 完整走過微影八大步驟（含可重工）
  • 比較 aligner／stepper／scanner 演進
  • 用 R = k₁λ/NA 說明解析度工程與 DOF 兩難
  • 描述浸潤式、多重圖形與 EUV
中文重點
前一章我們有了畫布（晶圓）與元件觀念。這兩章開始動手做：Ch5 用熱長出 gate oxide、驅動/活化摻雜；Ch6 用光把 gate 的圖形印上去。兩章合起來就是「長 + 印」，下一頁再把圖形「刻」出來（蝕刻）。
Ch5 ‧ §5.2

Inside the Furnace

爐管導覽

氧化與 LPCVD 都在爐管裡發生。點圖上的熱點，看每個部位在做什麼。

水平爐構造（點熱點）

點圖上的橘色圓點，右側/下方顯示該部位說明；批次一次 100+ 片是它的殺手鐧。
點左圖任一熱點
石英管、三區加熱、晶舟、氣體面板、排氣——各司其職。
產能對比
一支晶舟一次可放 100–200 片晶圓同時氧化——這是爐管「慢卻便宜」的本錢。對照後面的 RTP：一次只做 1 片，但每片只要幾秒。
NIST NanoFab 的 Sandvik 氧化爐設備
REAL TOOL · 真實設備對照

動畫裡的一根爐管，實際上是一整座多管式設備

NIST NanoFab 的 Sandvik 氧化爐支援濕氧與乾氧製程，最高溫度 1200°C。機台外部看見的是爐體、推舟機構、控制器與氣體系統，晶圓則在受控氣氛的管內反應。

圖片與設備資料：NIST。查看原始設備頁

中文重點
爐管＝「烤箱＋化學反應器」。直立爐（vertical）已成主流：佔地小、微粒少、上下溫度均勻——同樣的硬體既能氧化、也能長 poly 與氮化矽（Ch10 再見）。
Ch5 ‧ §5.3 ‧ ★本頁旗艦互動

Deal–Grove Oxidation Simulator

熱氧化模擬器

熱氧化：乾氧慢而緻密、濕氧快而疏。拖溫度與時間，看厚度沿 Deal–Grove 曲線長出來。

乾/濕 × 溫度 × 時間 → 氧化層厚度

切乾/濕、拖溫度(900–1200°C)與時間(0–10 hr)；看厚度大字、曲線的線性段(藍)/拋物線段(橘)，與右側剖面「沉入 46%」。
靜態版：Deal–Grove——薄膜為線性段(反應限制)、厚膜為拋物線段(O 擴散限制)。乾氧 1000°C、2hr ≈ 91 nm(緻密、gate oxide)；濕氧 1000°C、1hr ≈ 0.45 µm(快、field oxide)。
氧化層厚度
— nm
目前所在段
—
中文重點
為什麼「越厚長越慢」？氧氣要擴散穿過已生成的氧化層才能到介面反應——牆越厚，送氧越慢，所以進入拋物線段。乾氧慢而緻密→gate；濕氧快→field。長 1 單位 SiO₂ 吃掉 0.46 單位矽。
帶學生看兩件事：①切到濕氧、拉高溫度，曲線陡升——直覺化「濕氧快」。②固定時間拉溫度，看到指數敏感（Arrhenius）。提醒：超薄(<5nm) gate oxide 已超出經典 Deal–Grove 適用範圍，現代用 RTO 控制。
Ch5 ‧ §5.4

Diffusion vs. Implant Profile

擴散 vs 佈植輪廓（預告 Ch8）

擴散的輪廓從表面單調下降、深度隨 √(Dt) 變深；佈植(Ch8)則峰在內部。拖「熱預算」滑桿，感受每一次高溫如何讓摻雜多跑一點。

熱預算 → 摻雜跑多深

拖滑桿增加 Dt(溫度×時間)，看擴散曲線變深、變塌；佈植曲線(灰,Ch8 見)不動——對照兩者本質差異。
中文重點
擴散無法「獨立控制濃度與深度」、又要高溫長時間 → 現代淺接面改用離子佈植(Ch8)。擴散今天多半是「不想要卻會發生」的效應，這就是熱預算的由來。
Ch5 ‧ §5.5–5.7

RTP vs. Furnace Anneal

快速加熱 vs 爐管退火

退火的兩難：活化要高溫、擴散怕高溫。解法＝把時間縮到極短。RTP 的尖峰退火用「時間換擴散」。切換配方，比較兩者。

爐管 vs RTP 尖峰退火

切換配方；看溫度-時間曲線（注意 x 軸單位不同！），以及下方的擴散量(Dt)與活化度兩條比較條。
擴散量 Dt（越短越好）
摻雜活化度（越高越好）
中文重點
口訣：高溫但極短＝活化多、擴散少。爐管溫度低卻久(Dt 大)；RTP 溫度高卻只有 1 秒(Dt 極小)。再快還有 flash(ms) 與 laser(µs–ns) 退火——只加熱表層。
Ch5 ‧ §5.5–5.6

High-T CVD & Anneals

爐管高溫沉積・退火速覽

同樣的爐管，還長出兩個要角：LPCVD poly 與氮化矽；以及各種退火。翻卡認識五個名詞。

翻卡：五個高溫製程

中文重點
合金退火(alloy anneal)在 ~400–450°C 讓金屬-矽接觸合金化、降接觸電阻——這一點和失效分析課的接觸電阻失效直接相關。reflow 是早期平坦化手段，後來被 CMP(Ch12)取代。
Ch6 ‧ §6.2

Positive vs. Negative Resist

正負光阻模擬

正光阻曝光處溶解（複製光罩）；負光阻曝光處留下（反轉）。同一張光罩，看兩種光阻做出相反的結果。

曝光 → 顯影 → 剖面

切正/負光阻，按「▶ 曝光顯影」看動畫；拖「顯影過度」滑桿，看線寬(CD)如何偏移。
中文重點
深次微米後主流是正光阻＋化學放大(CAR)：一顆光子產酸、PEB 時酸催化上百次反應→靈敏度大增。顯影過度會讓線寬失準——CD 控制是微影的成績單之一。
Ch6 ‧ §6.3 ‧ ★重點

The 8 Steps of Lithography

微影八大步驟

圖形轉移的核心流程、全廠最貴的一站。特別注意：微影是少數可重工的製程，所以「檢查」放最後。

八步驟（含檢查→重工回圈）

用「下一步」逐步看每步的 track/scanner 動作與晶圓變化；或切到排序測驗，打亂後拖回正確順序。
中文重點
順序記法：增黏→塗佈→軟烤→對準曝光→曝後烤→顯影→硬烤→檢查。④對準曝光是精度核心；⑧檢查不合格可去膠重工、晶圓不報廢（蝕刻錯了就報廢，所以蝕刻前一定先把光阻做對）。
Ch6 ‧ §6.3

Spin Coating

旋轉塗佈小實驗

旋轉塗佈：轉越快、甩越薄。膜厚近似 t ∝ 1/√ω。拖轉速看膜厚變化。

轉速 → 光阻膜厚

拖轉速(1000–6000 rpm)，看膜厚(以 3000 rpm ≈ 1.0 µm 為錨)；轉太慢會出現 edge bead(邊緣厚環)警示。
光阻膜厚
1.00 µm
均勻性
佳
NIST NanoFab 的 Suss MicroTec ACS200 自動光阻塗佈設備
REAL TOOL · 從小實驗到自動化模組

量產塗膠還包含烘烤、邊緣去膠與背洗

NIST 的 ACS200 支援旋塗與噴塗，並整合最高 250°C 的熱板、edge-bead removal 與背面清洗。頁內滑桿只聚焦轉速與膜厚，真實 recipe 還要同時管理黏度、加速度、滴膠量與烘烤。

圖片與設備資料：NIST。查看原始設備頁

中文重點
膜厚由黏度＋轉速決定。DOF 淺(見下一節)時光阻要薄，所以轉速要調高。塗完還要HMDS 增黏防剝離、EBR 邊緣去膠防機台汙染。
Ch6 ‧ §6.4 ‧ ★本章旗艦互動

Resolution Playground

解析度遊樂場

三十年微影史，就是對三個變數的圍攻：R = k₁·λ/NA。代價是聚焦深度 DOF = k₂·λ/NA² 變淺——這是微影的根本兩難，也是 CMP 的伏筆。

光源 × NA × k₁ → 解析度 / 聚焦深度

選光源、拖 NA 與 k₁，看 R 與 DOF 大字、能不能印出各節點的紅綠燈、以及線寬示意圖(失焦會隨 DOF 惡化而模糊)。
靜態版：R=k₁λ/NA——193nm、NA0.93、k₁0.35 → R≈73nm；EUV 13.5nm、NA0.33 → R≈14nm。提高 NA 的代價是 DOF 變淺；NA>1 靠浸潤式(水)。
解析度 R
73 nm
聚焦深度 DOF
223 nm
能印出的節點
曝光製程視窗挑戰
在目前的 λ／NA／k₁ 條件下，再調曝光劑量與焦距偏移；十字必須落在綠色視窗內才算可量產。
PASS線寬與焦距都在容許範圍
中文重點
要解析度小：λ↓、NA↑、k₁↓。但 NA↑ 會讓 DOF 變淺——魚與熊掌。k₁ 靠 OPC／離軸照明／PSM／SMO 從 0.8 壓到 ~0.25；NA>1 靠浸潤式(鏡頭與晶圓間填水)；λ 一路從 436 走到 EUV 13.5 nm。
驗算給學生看：193nm / NA 0.93 / k₁ 0.35 → R = 0.35×193/0.93 ≈ 73 nm；EUV 13.5 / NA 0.33 / k₁ 0.35 → R ≈ 14 nm。再拖高 NA 看 DOF 掉多快(平方反比)，帶出 CMP 的必要性。
Ch6 ‧ §6.3–6.4

Exposure Tools & Multi-Patterning

曝光機演進・多重圖形

曝光機從貼近曝光走到縮小投影 stepper再到 step-and-scan；沒有 EUV 的年代，靠SADP硬把 pitch 減半。

曝光機演進

用「下一步」看五代曝光機如何一步步提升解析度與產能。
NIST NanoFab 的 Heidelberg MLA150 無光罩曝光機
REAL TOOL · 曝光不是一盞燈

MLA150：直接把數位圖形寫到晶圓上

這台 NIST NanoFab 的無光罩曝光機使用 405 nm 與 375 nm 雷射，透過多組相機完成多層對準。它適合微米級 MEMS、微流體與感測器圖形，也提醒我們曝光系統同時包含光源、定位、對焦與對準。

圖片與設備資料：NIST。查看原始設備頁

SADP 自對準側壁 四步驟

用「下一步」看 spacer 如何把一條線變兩條——完成後彈出重點。
中文重點
縮小投影是天才設計：光罩放大 4 倍、誤差也縮小 4 倍。SADP 的精髓：spacer 厚度＝線寬、自對準所以無 overlay 誤差；代價是光罩數與步驟暴增——這正是 EUV 的動機。
Ch6 ‧ §6.4–6.5

A Glimpse of EUV & Safety

EUV 一瞥・微影安全

EUV＝把「小太陽」搬進無塵室：CO₂ 雷射轟擊錫滴發光、多層鏡接力反射。三個驚人數字：

LPP 光源 + 全反射鏡列（簡化）

錫滴被雷射打成電漿放出 13.5 nm 光 → 集光鏡 → 反射式光罩 → 多層反射鏡 → 晶圓。全程真空，因為連空氣都吸收 EUV。

翻卡：微影區三大安全

中文重點
EUV 為何全反射？13.5 nm 被所有材料吸收，無法像可見光那樣折射透鏡——只能用 Mo/Si 布拉格多層鏡反射，還得抽真空。微影區的危害不是高溫高壓，而是化學品＋光源。
兩章串聯

Grow it, then Print it

先長出來，再印上去

Ch5 用熱長出 gate oxide、驅動並活化摻雜；Ch6 用光把 gate 的圖形印上去。下一頁(Ch7–8)要把定義好的圖形刻出來(蝕刻)、把摻雜打進去(佈植)——而微影的 DOF 兩難，會由 CMP(Ch12) 把晶圓磨平來化解。章節之間互相成就。

隨堂測驗 ‧ QUIZ

Quiz — Ch5 + Ch6

兩章合併測驗(20 題，分章計分)

逐題作答即時看回饋與解說；數值題可直接用上面 A2/B4 的模擬器對答案。(教師模式：已直接標出答案)