疊對是什麼？晶片上下兩層為什麼要對準

疊對（overlay）就是晶片上這一層的圖案，跟下面那一層對得準不準，中國大陸多叫「套刻」；量到偏掉的距離，叫疊對誤差。晶片是用黃光一層一層印上去的，常有十幾到幾十層；每印新的一層，都要剛好疊在下面那一層上。對得準，上下才接得起來；偏了，該接的接不上，不該碰的碰在一起。

為什麼每一層都要對準？

想像印套色版畫：紅、黃、藍各刻一塊版，一個顏色印一次。只要有一塊版放歪，顏色就跑出線外。晶片也是這樣一層一層疊出來的，只是更嚴格：上面那一層的小洞，要剛好落在下面那一層的接點上。

圖案怎麼「印」上去，「微影（黃光）是什麼？」講過了；這篇只講「對準」這一件事。

可以偏多少？

比電路裡最細的線還小很多。一份大學講義寫的經驗法則是：最細線寬的三分之一到五分之一。一篇公開的大學論文舉的例子是：線寬 0.18 微米那一代，大約只能偏 0.06 微米。

到了最新幾代，業界一起訂的技術路線圖，目標只有兩到四奈米。一根頭髮大約幾萬奈米粗，這比頭髮細上萬倍。

一層是怎麼對準、量完、修回來的？

對準和疊對不一樣：對準是曝光之前做的動作，疊對是做完之後量出來的結果。一個是瞄準，一個是看打中了哪裡。

第 1 步：曝光前，先找對準記號

• 做什麼：晶圓送進曝光機，先不曝光。感測器在晶圓上找前幾層留下的對準記號（小小的十字或條紋，多半放在晶片和晶片之間、最後會切掉的窄條上），量好幾個記號的位置，算出整片往哪邊偏、轉了多少、有沒有脹大一點，再決定每一格要印在哪。
• 為什麼：晶圓每次放上去都會差一點，還可能被前面的製程弄得微微變形；只看一個點不夠。
• 不這樣會怎樣：不先對準就曝，這一層就疊不到下面那一層上，而且每一片偏得都不一樣。

第一層下面還沒有東西可以對，只能照晶圓邊上的小缺口把方向放正；從這一層開始，後面的層就有記號可以對了。

第 2 步：曝光、顯影，順便印下量測用的記號

• 做什麼：照算好的位置一格一格曝光，再顯影。光罩上除了電路，還有專門量疊對的記號，跟著印在下面那一層的記號旁邊，例如下面一個大方框，這一層一個小方框套在中間。
• 為什麼：顯影之後，兩層的記號擺在一起，才有東西可以比。
• 不這樣會怎樣：要等晶片做完、通電量了才知道歪了，已經過了好幾週。

第 3 步：顯影後，量偏了多少

• 做什麼：量測機台用光去看兩層的記號，量小框離正中間多遠、往哪邊偏。不是每一片都量：每批挑幾片，每片挑幾格，常在每一格的四個角各量一點。量測機怎麼看，見「晶圓廠怎麼知道做對了沒？」。
• 為什麼：很多個點的偏差拼起來，才看得出整片是哪一種偏法。
• 不這樣會怎樣：歪了沒發現，就帶著偏差進蝕刻。

把每一個點畫成一支箭頭，偏法大致分成這幾種：

• 左右（x）、上下（y）：每一支箭頭都往同一邊、差不多長，像整張貼紙貼偏了一點。
• 轉角：箭頭繞著中心轉，越外圈越長，像貼紙貼斜了。
• 放大倍率：箭頭從中心往外（或往內）指，越外圈越長，像整張被撐大或縮小了一點點。

整片有這幾種，每一個曝光的格子裡也可能有。把這幾種扣掉，剩下零零碎碎、補不掉的那一點，叫殘差。

第 4 步：偏太多？還在光阻上就重來

• 做什麼：超出規格，就先把這批 Hold 住，決定要不要重工：把光阻整層洗掉，重新塗、重新曝光、重新顯影。
• 為什麼：顯影之後，圖案還只在光阻上，下面的材料一點都沒動。
• 不這樣會怎樣：一進蝕刻，偏掉的位置就刻進材料裡，回不去了。重工也有代價：多跑一趟、多受一次處理、多花幾個小時，只偏一點點時要判斷值不值得。

第 5 步：把偏差交給曝光機，下一批先補

• 做什麼：量到的偏差（左右、上下、轉角、倍率各多少）交給曝光機，下一批曝光時反過來調一點，這叫補正。補多少常是系統自動算的，見「APC 是什麼？」。
• 為什麼：同一台機台、同一種產品，偏法常會重複；這一批量到的，下一批就能先修。
• 不這樣會怎樣：每一批都歪成同一個樣子，都要量到了才發現、再重工。

為什麼會偏？

• 曝光機自己：晶圓台怎麼移動、鏡頭裡一點點的變形，每一台都有自己的小習慣。
• 晶圓被拉得變形：前面爐管的高溫、長上去的薄膜，會把晶圓拉得有點彎、有點伸縮，記號的位置跟著跑。
• 熱脹冷縮：溫度差 1°C，直徑 30 公分的矽晶圓就大約大 0.8 微米，比最新幾代能偏的距離大上百倍。
• 記號被磨壞一點：CMP、蝕刻可能讓記號的形狀變得不對稱，感測器看到的位置就偏了。
• 上下兩層不在同一台曝：兩台的小習慣不一樣，抵不掉。所以最要緊的幾層，有時固定排同一台；代價是那台忙的時候，別台空著也不能用。

偏了會怎樣？

上面那一層的小洞，要落在下面的接點或導線上。最底下接到電晶體的叫接觸窗，上下兩層導線之間的叫通孔：

• 接不到：偏了，碰到的面積變小、電阻變大，嚴重的根本不通。
• 碰到不該碰的：偏到旁邊，碰到電晶體的閘極或隔壁那條線，就短路。

這兩種洞怎麼做，見「一顆電晶體是怎麼做出來的？」和「晶片裡的導線怎麼做？」。偏一點點不一定馬上看得出來，常要等好幾週後量 WAT，才知道電路通不通。

在 fab24hr 裡

按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「量產廠」，左右滑到製程工程師，在名字下面點「黃光」，就是黃光製程工程師。早班，P-3A08 的疊對超出規格，下一站就是蝕刻。到量測機看疊對圖：格線是曝光區，黃色箭頭是這一層對下面那一層歪的方向和大小。試平移、旋轉、倍率三種補正，對的那一種下去，箭頭只剩一點點殘差。接著翻紀錄：下面那一層是另一台曝光機曝的。最要緊的幾層固定排同一台，還是把兩台的差加進補正？最後給製程整合的雅婷一個答案：重工，還是照跑。

同一區的黃光設備工程師，深夜班曝光機找不到對準記號，停了；研發線的黃光研發製程工程師，早班接觸窗這一層第一次對準下面那一層，量完疊對，要挑出該補哪幾項。主線「晶片的一生」第 2 章「一站一站」，第一層圖案下面沒有東西可以對，只能照晶圓的缺口放好。遊戲裡的公司、人物、批號和數字都是虛構的；疊對怎麼量、怎麼補，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。