打造IC裡的樂高世界—微影製程
日期：2020/11/23
文：Y.C. Lo/ 校稿: B.H. Huang
閱讀程度：中級
閱讀時間：5 min
小時候的我們，肯定有過玩樂高積木的時光，那時的我們都深信著，只要有足夠的積木，就可以打造出一個童話般夢幻的世界。至少對 Y 編來說，樂高積木就是兒時最喜歡的玩具了！這一回 SemiKnow 將為讀者介紹在打造 IC 時必備的微影製程（Lithography），靠著它我們便可以搭建起複雜的電路、蓋起一個個的半導體元件，聽起來是不是很像樂高積木呢？那麽接下來，就讓我們帶著你神遊在奈米級的世界裡，打造自己的樂高世界吧！
用光來影印電路？！超強光學影印機
在《半導體產業大解密》中提到，當我們有了一片片的純矽晶圓，以及電路設計圖後，接者就會進到晶圓製造的階段，那麼我們如何在矽晶圓上，做出電路呢？答案就是靠「光」。
就好像我們預計用樂高蓋一座超大型立體的城市一般，我們會先劃分哪些地方是公路哪些是建築，而類比於在製造 IC 的過程，我們也必須先定義好各個金屬線、摻雜雜質與半導體元件的區域，才可以將 IC 做出來！
首先工程師們會先將一種叫做光阻劑（Photoresist）的化學材料塗在晶圓上，而這個過程也叫做塗佈（Coating）。這種神奇的化學藥劑只要照光就會變硬或變軟，靠著這項特性，我們再把印有電路圖案的光罩（Mask）放在晶圓上並照光，讓特定的區域照到光而變軟（正光阻）或變硬（負光阻），就好像活版印刷術裡刻字的木頭般，可以把我們想要的字(電路圖案)印在紙上(晶圓)，接著我們再把不要的部分用化學藥劑吃掉，就可以在奈米級的尺度下，定義出電路的各個樣式了！上述的過程我們稱之為「曝光顯影」。
蓋起樓房們吧！挖土機和水泥車來了！
在定義好電路的每個區域之後，我們可以把裸露出來的部分挖掉並填入我們想要的材料，這時就可以先利用化學藥劑或是高溫電漿將這些區塊往下侵蝕掉，這個過程稱之為蝕刻（Etching），就如同城市裡的挖土機在道路上開挖一樣，而如何控制蝕刻的速度、範圍乃至於挖洞圖形邊緣的整齊度，就是晶圓代工公司每天要面對的問題呢~
挖開地面後，接著需要讓水泥車倒入水泥、填滿這些孔洞。這些被蝕刻後的區域，如果要被填滿金屬或者化合物，則會透過化學氣相沈積（Chemical Vapor Decomposition）的方式，使想要填入物質進入蒸汽化的狀態，再冷卻固定在這些區塊中。在業界實作上，因應不同的材料、成長厚度等其實有各種沉積方式，而無論是哪種方式，沉積的過程可以說是「失之毫釐，差之千里」，除了誤差幾毫秒就會讓沉積厚度出現不同外，如何讓整片晶圓沉積的厚度一致、如何讓沉積過程不會出現填不滿的孔洞，只要上述其中一個條件沒達成，電路特性就會不如預期甚至無法運作，因此化學氣相沉積可以說是非常難的技術呀！
而我們也曾提過會以摻雜雜質（Doping）方式製作半導體元件，透過摻雜不同的元素來改變晶圓局部區域的導電性，進而定義出半導體元件的實際位置，下圖就是一個例子，箭頭的方向就是摻雜的方向，而斜線所指的區域就是想要摻雜的區域。
日趨複雜的微影製程—量子力學的瓶頸…
總結來說，所謂的微影製程其實也就是上述所提，一連串的曝光顯影、蝕刻、沈積、摻雜的過程。但是在元件尺度不斷縮小的現代下，它卻因量子力學的阻撓而變得日趨困難，這也是為何製作的技術壁壘越來越高，產業裡也出現了幾家龍頭企業寡占大部分市場的情形。
根據量子物理學家海森堡的測不準原理，以及德布羅意的物質波理論，當我們需要有更精細的位置解析度，我們就需要使用更短波長的光以及更大的透鏡聚焦才可能做到，因此現在高階微影製程用的都是極紫外光（EUV），未來用到 X 光來突破物理極限也不無可能，製作的費用可是越來越高昂呢！未來我們將會再回頭探討極紫外光（EUV）目前對於半導體產業的重要性
Uhmmm, 這也難怪小編們都買不起Iphone12呢！（攤手結語（後記）：
嗨！我是 Y ，寫下這篇文章時其實有些心情忐忑，原因是這篇文章雖然用著輕鬆的方式寫下，但事實上有著非常高深的學問，相當擔心拿捏不好力道（笑）雖然大學學過一些物理，以及半導體製程技術，但我仍然看不清全貌。總之我們最想傳達給讀者知道的是，臺灣從開始發展半導體，到現在的世界第二不過才花了50幾年而已呀！如果撇開半導體，這個小小的島更有許多的世界第一，如果你對我們的家園沒什麼信心，我與 B 未來也將藉由 SemiKnow 分享半導體科普知識，讓讀者藉由學習知識的同時，心裡自然而然地建立起對這塊土地的驕傲！
哎呀～扯遠了…總之謝謝看完這篇文的你~
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