第 4 章蝕刻製程

第 4 章蝕刻製程 班級：科管三乙組員：林宗憲49654043 王丹祈49654047 吳清三49654058 孟暐達49654111 蔡銘鐘49654112

工作分配 • 4.2.1~4.2.6 王丹祈 • 4.2.7~4.2.11 蔡銘鐘 • 4.3 林宗憲 • PowerPoint製作孟暐達 • 報告修改及上台報告吳清三

4.2.1 蝕刻 • 定義:藉由預先定義好的圖形把不要的區域去除，保留要留下的區域，將圖形轉移到所選定的基礎上其過程稱之為蝕刻。 • 蝕刻的過程就是圖形轉移的過程，這個過程基本上包含幾個步驟，最終是將顯影後的光阻圖形轉移到底層的薄膜。蝕刻方法可以是物理性(離子撞擊)，也可以是化學性(與薄膜發生化學反應)，也可以是兩者的混合方式。

4.2.2 濕式蝕刻 • 定義:利用液態化學品與選定材料在化學槽中發生反應的機制，將未受保護區域的材料從表面上移除的過程。 • 所謂蝕刻必須是能將未受保護區域的材料從表面移除，才能稱為蝕刻。 • 因此在化學品選擇上有所限制(1)必須能與選定材料形成持續性的化學反應(2)對於光阻有相對較低的反應速率(3)化學反應所形成的產物，必須是可溶於原化學品中，如此才不會形成蝕刻的缺陷。

濕蝕刻是將晶片浸沒於適當的化學溶液中，或將化學溶淬噴灑至晶片上，經由溶液與被蝕刻物間的化學反應，來移除薄膜表面的原子，以達到蝕刻的目的。濕蝕刻三步驟為擴散→反應→擴散出。如右圖所示。濕蝕刻是將晶片浸沒於適當的化學溶液中，或將化學溶淬噴灑至晶片上，經由溶液與被蝕刻物間的化學反應，來移除薄膜表面的原子，以達到蝕刻的目的。濕蝕刻三步驟為擴散→反應→擴散出。如右圖所示。 • 濕蝕刻在航空、化學、機械工業中就是化學加工(Chemical Machining 簡稱CHM)，也可稱為化學蝕刻(Chemical Etching)。

4.2.3 乾式蝕刻 • 定義:利用氣體在外加的交流電場中所形成的電漿與選定材料在真空室內發生反應的機制，將未受保護區域的材料從表面上移除的過程。 • 在真空中使用特定或混合之氣體並以高能量激發產生電漿以物理反應或化學反應蝕刻表面物質。其為非等項性蝕刻，能將欲蝕刻之圖形作較高的相似度。(類似光投影的單一方向性)吃出想要的圖形。乾式蝕刻則以鈍態或反應性氣體來進行蝕刻，其間夾雜化學反應與物理方式的離子撞擊效果。 • 乾蝕刻通常是一種電漿蝕刻(Plasma Etching)，由於蝕刻作用的不同，電漿中離子的物理性轟擊(Physical Bomboard)，活性自由基(Active Radical)與元件(晶片)表面原子內的化學反應(Chemical Reaction)，或是兩者的複合作用，可分為三大類：一、物理性蝕刻：(1) 濺擊蝕刻(Sputter Etching) (2) 離子束蝕刻(Ion Beam Etching)二、化學性蝕刻：電漿蝕刻(Plasma Etching)三、物理、化學複合蝕刻：反應性離子蝕刻(Reactive Ion Etching 簡稱RIE)

兩種技術比較 • 濕蝕刻作用而言，對一種特定被蝕刻材料，通常可以找到一種可快速有效蝕刻，而且不致蝕刻其它材料的『蝕刻劑』(etchant)，因此，濕蝕刻對不同材料會具有相當高的『選擇性』(selectivity)。除了結晶方向可能影響蝕刻速率外，由於化學反應並不會對特定方向有任何的偏好，因此濕蝕刻本質上乃是一種『等向性蝕刻』(isotropic etching)。這意味著濕蝕刻不但會在縱向進行蝕刻，而且也會有橫向的蝕刻效果。橫向蝕刻會導致所謂『底切』(undercut)的現象發生，使得圖形無法精確轉移至晶片，如圖3.a所示。 • 在電漿蝕刻中，電漿是一種部分解離的氣體，氣體分子被解離成電子、離子，以及其它具有高化學活性的各種根種。乾蝕刻最大優點即是『非等向性蝕刻』(anisotropic etching)如圖3.c所示。然而，(自由基Radical)乾蝕刻的選擇性卻比濕蝕刻來得低，這是因為乾蝕刻的蝕刻機制基本上是一種物理交互作用；因此離子的撞擊不但可以移除被蝕刻的薄膜，也同時會移除光阻罩幕。

濕蝕刻與乾蝕刻的比較圖，圖中(a).蝕刻前、(b).濕蝕刻、(c).乾蝕刻的剖面圖。濕蝕刻與乾蝕刻的比較圖，圖中(a).蝕刻前、(b).濕蝕刻、(c).乾蝕刻的剖面圖。

4.2.4等向性 / 非等向性蝕刻 • 蝕刻等向性:表示與反應物所接觸的每一方向的蝕刻速率都是一樣的。 • 非等向性蝕刻: 特定方向的蝕刻速率會比較大(小)

4.2.5 電漿 • 定義:氣體分子，在外在能量的介入下，產生電離現象。在巨觀下，電漿具有相同數目的正電子與負電子。 • 薄膜製造技術中，不論是物理氣相沉積(PVD)或著是化學氣相沉積(CVD)都需要使用到電漿(Plasma)來促進或加強鍍覆效率，半導體的蝕刻技術也應用到電漿，而鍵結較強的反應性離子分子需要使用高密度、高能量的電漿以促進反應。 • 持續的從外部施加能量例如施加高溫、高速電子或離子以及放射線等具有能量的粒子之撞擊，會導致中性物質離子化，解離為電子、離子、中性粒子、受激粒子。 • 而這種使氣體物質解離為陰陽電荷粒子的狀態即稱為電漿(Plasma)。電漿點燃之後可以一直維持著，會在空間內不斷的發生碰撞游離，這些氣體粒子間的碰撞含有靜電力，粒子間能量之傳遞不一定需要直接碰觸，只要粒子彼此的距離再某撞擊截面內，粒子的運動就會受到改變，真空系統中除了有快速的電子不斷撞擊氣體分子外，電漿粒子也會與器壁、靶材、基板等等碰撞。而電漿又與固態、液態及氣態並稱為自然界的四態。

4.2.6 選擇比 • 定義:在同一個蝕刻環境下，對於兩種材料的蝕刻比例稱為選擇比。 • 光阻選擇比:在乾蝕刻過程中離子會撞擊的區域不是只有蝕刻區而已。非蝕刻區，由光阻所覆蓋的區域，會受到離子的撞擊而產生蝕刻現象。因此這時就產生了所謂對於光阻的選擇比問題。當選擇比不足時，會發生如削角，甚至斷線問題。 • 底層的選擇比:一般蝕刻狀況都會有面臨到需要停在底層或是只允許少部分的損失要求，如果將底層完全去除或者蝕刻過多則會導致電性上的失誤。

4.2.7 蝕刻終點 • 定義:透過某種對於蝕刻電漿的觀察機制，從其觀察的變化定義蝕刻停止的時機，避免發生過蝕刻或是蝕刻不足的現象。 • 晶片在蝕刻反應是進行蝕刻的過程是無法用肉眼觀查進行，因此如何決定蝕刻該何時停止便是重要課題。目前最廣泛使用Optical Emission這種方式是利用電漿中所發出的光線，藉由特殊波長濾鏡或是光柵篩選後透過光電轉換訊號，從其訊號強弱的變化來決定何時該停止蝕刻。

4.2.8 光阻剩餘 • 光阻是唯一保護非蝕刻區的材料，若光阻未能發揮應有功能時，則可能導致良率降低，甚至晶片的報廢‧如果要避免造成光阻削角，則必須要增加蝕刻對光阻的選擇比，但是由於牽涉到元件的特性，材料厚度並不是可以隨心所欲地變更的‧

4.2.9 光阻去除 • 光阻塗佈(黃光製程)是在執行蝕刻製程或是離子植入製程所不可缺少的步驟，當製程結束後，剩餘光阻必須加以去除，否則會造成設備的污染，嚴重者會造成設備零件的報廢。

4.2.10 剖面輪廓 • 在半導體製造領域裡剖面輪廓(Profile)是一個很廣泛被使用的代名詞‧而在蝕刻製成中比較通俗的講法就是—蝕刻結果「長相」如何。

4.2.11 高分子膜 • 參與蝕刻的氣體並不是全然是會有蝕刻效應的，常態蝕刻是在過程中刻意加入一些所謂的保護性氣體(Passivative Gas)，這些保護性氣體作用就是提供適量的高分子膜，於蝕刻的過程中保護側面輪廓或是提高對於底層的選擇比(Under layer Selectivit)。

4.3 製程、設備問題 • 製程原理概述 • 半導體工業的製造方法是在矽半導體上製造電子元件，而電子元件完成則由精密複雜的積體電路(簡稱IC)組成；IC製作過程是應用微影技術、蝕刻、清洗…等，所須製程多達二、三百個步驟。 • 隨著電子資訊產品朝輕薄短小化方向發展，半導體製造也朝高密度及自動化生產前進;而IC製造技術仍朝向克服晶圓直徑變大，元件線幅縮小，製造步驟增加，提供更好的產品特性前進。

半導體主要區分為材料製造、積體電路晶圓製造及積體電路構裝等三大類。目前國內半導體業包括了後二項，至於材料仍仰賴外國進口。國內積體電路晶圓製造業共有11家，其中聯華、台積及華邦各有2個工廠，總共14個工廠，目前仍有業者擴廠中，主要分佈在新竹科學園區。而積體電路構裝業共有20家工廠，遍佈於台北縣、新竹縣、台中縣及高雄市。半導體主要區分為材料製造、積體電路晶圓製造及積體電路構裝等三大類。目前國內半導體業包括了後二項，至於材料仍仰賴外國進口。國內積體電路晶圓製造業共有11家，其中聯華、台積及華邦各有2個工廠，總共14個工廠，目前仍有業者擴廠中，主要分佈在新竹科學園區。而積體電路構裝業共有20家工廠，遍佈於台北縣、新竹縣、台中縣及高雄市。

製造流程 • 半導體工業所用材料包含單一組成的半導體元素，如矽(Si)、鍺(Ge) 或多成分組成的半導體，如鎵砷(GaAs)半導體。 • 半導體產業結構可區分為材料加工製造、晶圓積體電路製造及晶圓切割構裝等三製造流程，如圖1.2所示。(此為上游) • 此類矽晶片經過研磨加工及多次磊晶爐成為磊晶晶圓，其用途特殊，且附加價值極高。其次晶圓的積體電路製造，則由上述晶圓，經由電路設計、光罩設計、蝕刻、擴散等製程，生產各種用途晶圓。(此為中游) • 而晶圓切割、構裝業係將製造完成的晶圓，切割成片狀的晶粒，再經焊接、電鍍、包裝及測試後即為半導體成品。(此為下游)

如下圖1為上、中、下游完整製造流程

未來展望 • 當元件越做越小，而晶圓尺寸愈來越大，蝕刻選擇率與均勻度就變得很重要。傳統RIE因為操作壓力高，無法達到垂直側壁蝕刻，以及在大尺寸晶圓上不易維持良好的均勻度，將不再適用，取而代之的是高電漿密度電漿系統。 • 這類電漿系統不但能在極低壓下產生高密度電漿，並且能分別控制電漿密度與離子能量，減少離子轟擊損壞，在大尺寸晶圓上亦能保持良好的均勻性，提高生產良率。

另外，圖形間距越小或氧化層接觸窗的面積越小，蝕刻系統中的反應物或帶能量的離子無法到達接觸底部，或者反應的產物無法順利排出接觸窗外，使得蝕刻速率降低。面積越小，此現象越嚴重，亦即所謂的微負載效應(Micro loading Effect)。 • 除此之外，如何減少電漿電荷導致損壞，使用靜電吸附夾具，使用多腔設計系統，均是未來蝕刻機趨勢。多腔設計可以避免相互污染，並增進生產速率。使用靜電吸附夾具可以降低粒子污染，增進晶片冷卻效率，而減少電漿導致損壞可使製程上的設計變得更單純，並提高元件的可靠度。

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