Photo-
lithography
Pattern Transfer ด้วยแสง — ทำซ้ำ 50–100 ครั้งต่อ wafer เป็นหัวใจของ IC Fabrication
01 บทนำ: Photolithography & Photoresist Technology คืออะไร
Photolithography (โฟโตลิโทกราฟี) คือกระบวนการหลักที่มีความสำคัญที่สุดในสายการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ (Semiconductor Fabrication) ทำหน้าที่ถ่ายทอดลวดลายวงจรไฟฟ้าที่มีความละเอียดสูงระดับนาโนเมตรจากแผ่นหน้ากากวงจร (Photomask หรือ Reticle) ลงบนแผ่นซิลิคอนเวเฟอร์ (Silicon Wafer) โดยใช้แสงเป็นสื่อกลาง เปรียบเสมือนการ "พิมพ์ภาพถ่าย" ที่มีความละเอียดและซับซ้อนกว่าหลายพันล้านเท่า กระบวนการนี้จะถูกทำซ้ำสลับกับการกัดกร่อน (Etching) และการฝังไอออน (Ion Implantation) หลายสิบชั้นเพื่อสร้างโครงสร้างทรานซิสเตอร์แบบสามมิติที่สมบูรณ์
องค์ประกอบสำคัญที่ทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการบันทึกลวดลายแสงนี้คือ Photoresist (PR) หรือ สารไวแสง ซึ่งเป็นวัสดุพอลิเมอร์อินทรีย์ชนิดพิเศษที่มีความไวต่อปฏิกิริยาเคมีเมื่อได้รับพลังงานจากแสง (Photon) ในยุคปัจจุบันที่อุตสาหกรรมชิปก้าวข้ามขีดจำกัดไปสู่ระดับ Sub-3nm สาร Photoresist ไม่ได้ทำหน้าที่เพียงแค่รับลวดลายเท่านั้น แต่ยังต้องทำหน้าที่เป็นหน้ากากป้องกันที่มีความทนทานต่อสารเคมีสูงในขั้นตอนการ Etching (Etch Resistance) และต้องมีความเสถียรเชิงโครงสร้างเพื่อป้องกันการล้มพังพินาศของลวดลายขนาดจิ๋ว (Pattern Collapse)
วิศวกรสาย Lithography ทำอะไร?
ใน Fab ระดับ Leading-edge บทบาทของ Process / Fab Engineer และ Leading-Edge Technology Engineer ด้าน Lithography คือการควบคุมพารามิเตอร์การเปิดรับแสง (Exposure Dose), โฟกัส (Focus Window), และการควบคุมคุณสมบัติทางเคมีของ Photoresist เพื่อรักษาระดับอัตราผลผลิต (Yield) ให้สูงที่สุดภายใต้กรอบข้อจำกัดทางฟิสิกส์
Optical lithography (DUV 193nm immersion), photoresist chemistry (positive/negative), BARC, OPC, SRAF, overlay measurement, CD-SEM — สู่ EUV 13.5nm
Equipment: ASML scanner, KLA overlay tool, CD-SEM (Hitachi)
Path: Process / Fab Engineer, Leading-Edge Technology Engineer
02 Photoresist & Anti-Reflective Coatings
Photoresist (PR) หรือสารไวแสง เป็นพอลิเมอร์อินทรีย์ที่ทำปฏิกิริยากับแสงเปลี่ยนโครงสร้างเคมีเพื่อให้ละลายได้ (Positive) หรือเกิด cross-link ไม่ให้ละลาย (Negative) ในสารละลายล้าง (Developer)
4 ส่วนประกอบหลักในน้ำยา Photoresist
- Resin (พอลิเมอร์เรซิน): โครงสร้างหลัก (Organic polymer matrix) ทำหน้าที่เกาะยึดวัสดุและเป็นหน้ากากต้านทานต่อสารกัดกร่อน (Etch Resistance) ในกระบวนการกัดกร่อน เช่น สาร Novolac หรือ Poly(hydroxystyrene)
- Solvent (ตัวทำละลาย): ของเหลวที่เป็นสื่อตัวพา ทำหน้าที่ควบคุมความหนืด (Viscosity) เพื่อให้เคลือบแผ่นเวเฟอร์ได้บางเรียบสม่ำเสมอ หลังจากเคลือบเสร็จแล้วจะระเหยไปในขั้นตอน Soft Bake
- Photoactive Compound (PAC / PAG): สารเร่งปฏิกิริยาไวแสงที่เปลี่ยนสภาพเคมีเมื่อได้รับโฟตอน (เช่น สาร Diazonaphthoquinone - DNQ ในระบบบวก หรือ Photoacid Generator - PAG ในระบบเคมีขยายประสิทธิภาพ)
- Additives & Surfactants: สารเติมแต่งช่วยเพิ่มความสม่ำเสมอในการไหลราบเรียบ และควบคุมความทนทานต่ออุณหภูมิ
ความแตกต่างของชั้นเคลือบป้องกันการสะท้อน: BARC vs TARC
เพื่อเพิ่มช่วงหน้าต่างกระบวนการ (Process Window) และควบคุมขนาดมิติวิกฤต (CD Control) ให้เสถียร จะมีการติดตั้งชั้นเคลือบป้องกันการสะท้อนแสง (Anti-Reflective Coating) ดังนี้:
| ลักษณะเปรียบเทียบ | BARC (Bottom Anti-Reflective) | TARC (Top Anti-Reflective) |
|---|---|---|
| ตำแหน่งติดตั้ง | ใต้ชั้น Photoresist (เคลือบระหว่าง Substrate กับ PR) | บนชั้น Photoresist (เคลือบอยู่ด้านบนสุดของ PR) |
| ฟิสิกส์การควบคุม | ใช้วัสดุดูดซับแสงและดัชนีหักเหเพื่อป้องกันแสงสะท้อนจากพื้นผิวโลหะด้านล่าง | ใช้หลักการแทรกสอดหักล้างของแสง (Destructive Interference) เป็นหลัก |
| ข้อดีเด่น | ลดการสะท้อนรอยหยัก (Reflective Notching) และคุมความสม่ำเสมอดีเยี่ยมแม้ขอบลาดเอียง | ช่วยลดผลกระทบ Swing Curve และจำกัดสัญญาณรบกวนในบรรยากาศภายนอก |
| วัตถุดิบหลัก | วัสดุอินทรีย์กลุ่ม Polyimide / SOG / α-C เคลือบหนา 20-200 nm | สารละลายสูตรน้ำ (DIW-based) มีความตึงผิวต่ำบวกสารเติมแต่ง UV |
| ขั้นตอนเปิดผิว | ต้องการขั้นตอนกัดแห้งเพิ่ม (Dry Etch Open) เพื่อเปิดผิวหน้าก่อนการกัดชั้นหลัก | สามารถละลายไปกับน้ำยาล้าง (Developer) ได้โดยตรงโดยไม่ต้องเจาะแยก |
03 Exposure & Coating Process
กระบวนการเคลือบและเปิดรับแสงเวเฟอร์ทำในลำดับขั้นตอนที่ละเอียดอ่อนดังนี้:
ขั้นตอนการหมุนเคลือบสารไวแสง (Spin Coating Mechanics)
การหมุนเคลือบน้ำยาต้องการความเที่ยงตรงสูงเพื่อควบคุมความหนาฟิล์มให้สม่ำเสมอในระดับนาโนเมตร โดยการป้อนน้ำยาเหลวลงกึ่งกลางแผ่นเวเฟอร์แล้วหมุนด้วยความเร็วสูง 1,500–3,000 RPM ทำให้เกิดการไหลแผ่ออกไปตามแรงหนีศูนย์กลาง อย่างไรก็ตาม ที่บริเวณขอบสุดของแผ่นจะเกิดปรากฏการณ์ของเหลวสะสมตัวเป็นสันขอบหนาขึ้นมาเรียกว่า Edge Bead Effect ซึ่งต้องได้รับการกำจัดทันที:
- Edge Bead Removal (EBR): การพ่นน้ำยาเคมีชะล้างหรือใช้ใบมีดลมเป่าขอบด้านบนของเวเฟอร์กว้างประมาณ 1-2 mm เพื่อขจัดแนวสันพอลิเมอร์หนาที่ขอบ ซึ่งมักเปราะและเสี่ยงต่อการหลุดร่อนกลายเป็นฝุ่นปนเปื้อนในเครื่องฉายแสง
- Backside Rinse (BSR): การพ่นสารละลายชะล้างด้านหลังและใต้ของขอบเวเฟอร์ขณะหมุน เพื่อรับประกันว่าไม่มีน้ำยาไวแสงหรือสิ่งสกปรกใดๆ ไหลย้อนกลับไปเลอะแผ่นหลังเวเฟอร์ ซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญของปัญหาความระนาบโฟกัสเบี่ยงเบนในระดับจิ๋ว
04 EUV Lithography
EUV ใช้แสง wavelength 13.5 nm สร้างโดย Laser-Produced Plasma (LPP) — ยิง CO₂ laser ความถี่สูงเข้า tin droplet เกิด plasma ปล่อยแสง EUV
| รุ่น | NA | Resolution | Throughput | Node |
|---|---|---|---|---|
| ASML NXE:3600D | 0.33 | ~13 nm | 170 wph | 7nm–3nm |
| ASML EXE:5000 (High-NA) | 0.55 | ~8 nm | ~90 wph | 2nm–A16 |
05 Multiple Patterning
เมื่อ DUV 193nm ไม่สามารถ resolve pattern เล็กพอ จึงใช้วิธี pattern ซ้ำหลายรอบเพื่อให้ได้ pitch ที่เล็กกว่าจุดแสง
| เทคนิค | Pitch Reduction | Node | Cost |
|---|---|---|---|
| LELE (2x expose) | ÷2 | 20nm–14nm | Medium |
| SADP (Self-Aligned Double) | ÷2 | 10nm–7nm | High |
| SAQP (Self-Aligned Quad) | ÷4 | 7nm (w/o EUV) | Very high |
| EUV Single Exposure | ÷1 (direct) | 7nm–2nm | ASML cost |
06 Alignment, Overlay & CD Control
Overlay คือระดับความแม่นยำในการจัดวางและฉายลวดลายวงจรซ้อนทับกันระหว่างเลเยอร์ต่างๆ ซึ่งที่โหนดขั้นสูงต่ำกว่า 3nm อุตสาหกรรมชิปต้องการค่าความผิดพลาดสะสมของ Overlay (Overlay Budget) ต่ำกว่า 1 nm (เทียบเท่าขนาดอะตอมซิลิคอนเพียงไม่กี่ตัว)
ฟิสิกส์การจัดตำแหน่งสองฝั่งแผ่นเวเฟอร์ (Wafer Alignment Technologies)
- Top-Side Alignment (TSA): การจัดแนวโดยใช้แสงย่านมองเห็น (Visible Light - VIS) เพื่อตรวจจับเครื่องหมายจัดแนว (Alignment Marks) บนผิวหน้าของเวเฟอร์ในทิศทางเดียวกัน เหมาะสำหรับโครงสร้างระนาบแบบ 2D ทั่วไป
- Back-Side Alignment (BSA): เทคนิคสำคัญสำหรับการสร้างระบบ MEMS และชิป 3D Stacked โดยการส่องแสงย่านอินฟราเรด (Infrared Light - IR) ทะลุแผ่นซิลิคอนเพื่อสแกนและจัดแนวลวดลายที่ฝังหรือสลักไว้ด้านหลังเวเฟอร์ให้ตรงกับหน้ากากด้านหน้าอย่างแม่นยำ
4 ชนิดรูปแบบความผิดพลาดในการทับซ้อน (Overlay Error Profiles)
| รูปแบบข้อบกพร่อง | สัญลักษณ์ | คำอธิบายทางกายภาพ |
|---|---|---|
| Translation (การเยื้องตำแหน่ง) | $\Delta x, \Delta y$ | การเลื่อนตัวออกห่างแนวของลวดลายทั้งชิ้นในระนาบแนวตั้งหรือแนวนอน |
| Rotation (การหมุนเบี่ยงเบน) | $\theta$ | การบิดทำมุมระหว่างชั้นเลเยอร์ขอบด้านบนกับขอบด้านล่าง |
| Magnification (ความคลาดเคลื่อนกำลังขยาย) | Scale Error | ความยาวของสเกลลวดลายขยายตัวหรือหดตัวไม่เท่ากันจากผลของอุณหภูมิหรือความเครียดฟิล์ม |
| Non-linear Distortion (การบิดเบี้ยวเฉพาะจุด) | Distortion | การโก่งตัวหรือบิดงอเฉพาะส่วนในแนวผิวหน้าเวเฟอร์ที่ไม่เป็นเส้นตรง ทำให้แก้ไขชดเชยได้ยากที่สุด |