劉懷璿 / 工研院材化所
半導體產業是全球關鍵技術之一，應用範圍廣泛。為了達到高密度的IC電路布局及減小產品體積，半導體尺寸急速縮小，晶圓上的線路亦隨之微縮。在先進半導體製程技術中，顯影製程為相當重要的一個步驟，影響著線路圖案化的精細程度，而光阻在微影製程中扮演關鍵的角色。光阻藉由光敏感劑於曝光後產生化學變化，影響顯影過程中的圖案形成。光阻劑配方由樹脂、光酸、溶劑以及微量的添加劑所組成，其中光酸雖然用量相對較少，但光酸的特性直接影響顯影後的圖案化效果，是半導體製程中不可或缺的存在。本文將介紹光酸(包括離子型與非離子型)的作用機制與應用。工研院近年進行光酸的相關研究，以符合現今國際對於光酸材料的需求。
【內文精選】
前 言
曝光顯影製程使用光阻(Photoresist)進行圖案化，光阻為光敏感性的材料，受到紫外光的作用會發生化學反應，改變其於顯影液中的溶解度。照光後會溶解於顯影液的光阻稱為正型光阻(Positive Photoresist)；反之，照光後溶解度下降的光阻稱為負型光阻(Negative Photoresist)(圖二)。藉由曝光區/非曝光區的溶解度差異，可在晶圓上建構成設計的圖案，顯影製程中便是利用此特性，在曝光光源與光阻之間放上光罩(Mask)，來產生曝光區與非曝光區，再經過顯影步驟將光阻溶解形成圖案化。由於正型光阻可使用的解析度較高，目前半導體製程大多使用此類的光阻。
圖二、光阻顯影示意圖
光阻劑配方由樹脂、光酸(Photoacid Generators; PAGs)(g-line/i-line為重氮萘醌；DUV/EUV為硫鎓鹽、碘鎓鹽)、溶劑以及微量的添加劑，如：萃滅劑、界面活性等所組成。溶劑為光阻劑的主要成分，用於溶解並且調整整體黏度，使其能夠塗佈在晶圓上形成光阻薄膜。樹脂為光阻薄膜中的主要成分，能固定於晶圓上形成穩定薄膜。光酸經由光照射後會活化，並改變周遭樹脂的溶解性，經顯影液沖洗後達到圖案化的效果。其餘小量添加的添加劑，如：萃滅劑、界面活性劑，則用於降低光阻的粗糙度及提升光阻的平整性。
非離子型光酸應用
常見的非離子型光酸(Non-ionic PAGs)有重氮萘醌(Diazo-naphtho-quinon; DNQ)、磺酸酯、碳酸酯等，其中DNQ常用於g-line/i-line光阻中，與酚醛樹脂(Novolac Resin) 搭配使用。在一般情況下，酚醛樹脂對於鹼的溶解性高；而當酚醛樹脂與DNQ混合時，兩者間形成氫鍵作用下，在鹼性顯影液中的溶解性會下降。當DNQ受到紫外光照射(g-line/i-line)後，其溶解性會提高，使得酚醛樹脂光阻可溶解於顯影液中(圖四)。半導體製程中g-line與i-line製程多使用酚醛樹脂系統作為光阻劑，藉由曝光區域溶解性好、非曝光區溶解性低的差異，來達到圖案化的效果。而酚醛樹脂具有良好的熱穩定性及耐腐蝕性，可用在350 mm以上解析度之半導體製程應用 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖四、DNQ產酸機制
★本文節錄自《工業材料雜誌》461期，更多資料請見下方附檔。