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
Photoresist เป็น polymer ที่ไวต่อแสง เมื่อโดนแสงจะเปลี่ยนสมบัติ chemical ทำให้ละลายได้ (Positive) หรือไม่ละลาย (Negative) ใน developer
| ประเภท | โดนแสงแล้ว | ใช้ใน |
|---|---|---|
| Positive Resist | ละลายได้ใน developer | ส่วนใหญ่ใน advanced node |
| Negative Resist | ไม่ละลาย (cross-link) | Contact hole, thick pattern |
| EUV Resist | Metal-oxide based | EUV lithography เท่านั้น |
03 Exposure Process
กระบวนการ expose ต้องผ่านขั้นตอนในลำดับนี้:
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 Overlay & CD Control
Overlay คือความแม่นยำในการ align mask layer ซ้อนกัน ที่ node 3nm ต้องการ overlay error <1 nm เท่ากับ 1/10 ของ silicon atom