蝕刻技術(Etching Technology)

1. 前言

　　蚀刻是将材料使用化学反应或物理撞击作用而移除的技术。

　　蚀刻技术可以分为『湿蚀刻』(wet etching)及『干蚀刻』(dry etching)两类。在湿蚀刻中是使用化学溶液，经由化学反应以达到蚀刻的目的，而干蚀刻通常是一种电浆蚀刻(plasma etching)，电浆蚀刻中的蚀刻作用，可能是电浆中离子撞击晶片表面的物理作用，或者可能是电浆中活性自由基(Radical)与晶片表面原子间的化学反应，甚至也可能是这两者的复合作用。

　　在航空、机械、化学工业中，蚀刻技术广泛地被使用于减轻重量(Weight Reduction)，仪器镶板，名牌及传统加工法难以加工之薄形工件等之加工。在半导体制程上，蚀刻更是不可或缺的技术。

2. 湿蚀刻(Wet Etching)

　　湿蚀刻是将晶片浸没于适当的化学溶液中，或将化学溶淬喷洒至晶片上，经由溶液与被蚀刻物间的化学反应，来移除薄膜表面的原子，以达到蚀刻的目的。湿蚀刻三步骤为扩散→反应→扩散出如图（一）所示

图（一） 以湿式法进行薄膜蚀刻时，蚀刻溶液（即反应物）与薄膜所进行的反应机制。

　　湿蚀刻进行时，溶液中的反应物首先经由扩散通过停滞的边界层(boundary layer)，方能到达晶片的表面，并且发生化学反应与产生各种生成物。蚀刻的化学反应的生成物为液相或气相的生成物，这些生成物再藉由扩散通过边界层，而溶入主溶液中。

　　就湿蚀刻作用而言，对一种特定被蚀刻材料，通常可以找到一种可快速有效蚀刻，而且不致蚀刻其它材料的『蚀刻剂』(etchant)，因此，通常湿蚀刻对不同材料会具有相当高的『选择性』(selectivity)。然而，除了结晶方向可能​​影响蚀刻速率外，由于化学反应并不会对特定方向有任何的偏好，因此湿蚀刻本质上乃是一种『等向性蚀刻』(isotropic etching)。等向性蚀刻意味着，湿蚀刻不但会在纵向进行蚀刻，而且也会有横向的蚀刻效果。横向蚀刻会导致所谓『底切』(undercut)的现象发生，使得图形无法精确转移至晶片，如图（二）所示。相反的，在电浆蚀刻中，电浆是一种部分解离的气体，气体分子被解离成电子、离子，以及其它具有高化学活性的各种根种。干蚀刻最大优点即是『非等向性蚀刻』(anisotropic etching)如图（二）（C）所示。然而，(自由基Radical)干蚀刻的选择性却比湿蚀刻来得低，这是因为干蚀刻的蚀刻机制基本上是一种物理交互作用；因此离子的撞击不但可以移除被蚀刻的薄膜，也同时会移除光阻罩幕。

图（二）湿蚀刻与干蚀刻的比较图，图中(a).蚀刻前、(b).湿蚀刻、(c).干蚀刻的剖面图

图（三）薄膜经近似于非等向性蚀刻后的SEM照片

SEM(Scanning Electron Micro Scope)扫描式电子显微镜

由于等向性且造成底切，因此湿蚀刻不适合高深宽比(Aspect Ratio)及孔穴宽度(Cavity Width)小于2-3μm元件之蚀刻。

　　在航空、化学、机械工业中湿蚀刻就是化学加工(Chemical Machining 简称CHM)，也可称为化学蚀刻(Chemical Etching)。化学蚀刻包括

(1) 化学铣切(Chemical Milling)

如飞机翼板(Wing Skin)及引擎零件(Engine Part)之减轻重量(Weight Reduction)如图（四）所示

图（四） 蚀刻后之飞机引擎零件

(2) 化学剪穿(Chemical Blanking)

光化学剪穿(Photo Chemical Blanking)简称为光蚀刻(Photo Etching)就是薄形元件在微影(Lithography)(光阻涂布，曝光、显像)后再加以蚀刻，其产品如图（五）所示

图（五）    蚀刻后之成品

(3) 化学雕刻(Chemical Engraving)

在仪器镶板、名牌及其他传统上，在缩放雕刻所制造或借模压印所生产的零件仅可利用化学雕刻法完成。如图（六）所示

图（六） 示波器正面板上高细度雕刻

3. 干蚀刻(Dry Etching)

　　干蚀刻通常是一种电浆蚀刻(Plasma Etching)，由于蚀刻作用的不同，电浆中离子的物理性轰击(Physical Bomboard)，活性自由基(Active Radical)与元件(晶片)表面原子内的化学反应(Chemical Reaction)，或是两者的复合作用，可分为三大类：

　　一、 物理性蚀刻：(1)溅击蚀刻(Sputter Etching) (2)离子束蚀刻(Ion Beam Etching)

　　二、 化学性蚀刻：电浆蚀刻(Plasma Etching)

　　三、 物理、化学复合蚀刻：反应性离子蚀刻(Reactive Ion Etching简称RIE)

干蚀刻是一种非等向性蚀刻(Anisotropic Etching)如图（七）所示，具有很好的方向性(Directional Properties)但比湿蚀刻较差的选择性(Selectivity)

图（七） 单晶矽之非等向性蚀刻

4. 电浆(Plasma)

　　电浆是一种由正电荷（离子），负电荷（电子）及中性自由基(Radical)所构成的部份解离气体(Partially Ionized Gas)。

　　当气体受强电场作用时，气体可能会崩溃。一刚开始电子是由于『光解离』(photoionization)或『场放射』(field emission)的作用而被释放出来。这个电子由于电场的作用力而被加速，动能也会因而提高。电子在气体中行进时，会经由撞击而将能量转移给其他的电子。

　　电子与气体分子的碰撞是弹性碰撞。然而随着电子能量的增加，最终将具有足够的能量可以将电子激发，并且使气体分子解离。此时电子与气体分子的碰撞则是非弹性碰撞，最重要的非弹性碰撞称为『解离碰撞』(ionization collision)，解离碰撞可以释放出电子。而被解离产生的正离子则会被电场作用往阴极移动，而正离子与阴极撞击之后并可以再产生『二次电子』。如此的过程不断连锁反覆发生，解离的气体分子以及自由电子的数量将会快速增加。一旦电场超过气体的崩溃电场，气体就会快速的解离。这些气体分子中被激发的电子回复至基态时会释放出光子，因此气体的光线放射主要是由于电子激发所造成。

5. 溅击蚀刻(Sputter Etching)

　　将惰性的气体分子如氩气施以电压，利用衍生的二次电子将气体分子解离或激发成各种不同的粒子，包括分子、原子团(Radical)，电子、正离子等，；正离子被电极板间的电场加速，即溅击被蚀刻物，具有非常好的方向性（垂直方向），较差的选择性，因光阻亦被蚀刻，被击出之物质为非挥发性，又沉积在表面，困此在VLSI中很少被使用。

6. 电浆蚀刻(Plasma Etching)

　　利用电浆将蚀刻气体解离产生带电离子、分子、电子以及反应性很强(即高活性)的原子团（中性基Radical），此原子团与薄膜表面反应形成挥发性产物，被真空帮浦抽走。

　　电浆蚀刻类似湿蚀刻，利用化学反应，具有等向性和覆盖层下薄膜的底切(Under Cut)现象，由于电浆离子和晶片表面的有效接触面积比湿蚀刻溶液分子还大，因此蚀刻效率较佳。其系统设备示意图如图（八）

图（八） 电浆蚀刻系统设备示意图

RF电源为13.56MHz之交流射频电源(Radio Frequency)

7. 反应性离子蚀刻(Reactive Ion Etching 简称RIE)

　　最为各种反应器广泛使用的方法，便是结合(1)物理性的离子轰击与(2)化学反应的蚀刻。此种方式兼具非等向性与高蚀刻选择比等双重优点，蚀刻的进行主要靠化学反应来达成，以获得高选择比。加入离子轰击的作用有二：一是将被蚀刻材质表面的原子键结破坏，以加速反应速率。二是将再沉积于被蚀刻表面的产物或聚合物(Polymer)打掉，以使被蚀刻表面能再与蚀刻气体接触。而非等向性蚀刻的达成，则是靠再沉积的产物或聚合物，沉积在蚀刻图形上，在表面的沉积物可为离子打掉，故蚀刻可继续进行，而在侧壁上的沉积物，因未受离子轰击而保留下来，阻隔了蚀刻表面与反应气体的接触，使得侧壁不受蚀刻，而获得非等向性蚀刻。如图（九）所示

　　应用干式蚀刻主要须注意蚀刻速率，均匀度、选择比、及蚀刻轮廓等。蚀刻速率越快，则设备产能越快，有助于降低成本及提升竞争力。蚀刻速率通常可藉由气体种类、流量、电浆源及偏压功率所控制，在其他因素尚可接受的条件下，越快越好。均匀度是晶片上不同位置的蚀刻率差异的一个指标，较佳的均匀度意谓着晶圆将有较佳的良率(Yield)，尤其当晶圆从3吋、4吋、一直到12吋，面积越大，均匀度的控制就显的更加重要。选择比是蚀刻材料的蚀刻速率对遮罩或底层蚀刻速率的比值，控制选择比通常与气体种类与比例、电浆或偏压功率、甚至反应温度均有关系。至于蚀刻轮廓一般而言愈接近九十度越佳，除了少数特例，如接触窗或介层洞(Contact Window and Via Hole)，为了使后续金属溅镀能有较佳的阶梯覆盖能力(Step Coverage )，而故意使其蚀刻轮廓小于九十度。通常控制蚀刻轮廓可从气体种类、比例、及偏压功率来进行。

图（九） 非等向性蚀刻示意图

　　电浆离子的浓度和能量是决定蚀刻速率的两大要素，为了增加离子的浓度，在干式蚀刻系统设计了两种辅助设备：(1)电子回转加速器(Electron Cyclotron)，(2)磁圈( Magnet Coil)。前者是利用2.54GHz的微波来增加电子与气体分子的碰撞机率；而后者则是在真空腔旁加入一个与二次电子运动方向垂直的磁场，使得电子以螺旋状的行径来增加与气体分子的碰撞机率。

8. 磁场强化反应性离子蚀刻(Magnetic Enhanced RIE 简称MERIE)

　　MERIE是在传统的RIE中，加上永久磁铁或线圈，产生与晶片平行的磁场，而此磁场与电场垂直，因为自生电压(Self Bias)垂直于晶片。电子在此磁场下，将以螺旋方式移动，如此一来，将会减少电子撞击腔壁，并增加电子与离子碰撞的机会，而产生较高密度的电浆，然而因为磁场的存在，将使离子与电子偏折方向不同而分离，造成不均匀及天线效应的发生。因此，磁场常设计为旋转磁场。MERIE的操作压力，与RIE相似，约在0.01~1Torr之间，当蚀刻尺寸小于0.５μm以下时，须以较低的气体压力以提供离子较长的自由路径，确保蚀刻的垂直度，因气体压力较低，电浆密度也随着降低，因而蚀刻效率较差。所以较不适合用于小于0.5μm以下的蚀刻。

图（十）        磁场强化RIE(MERIE)示意图

9. 电子回旋共振式离子反应电浆蚀刻(Electron Cyclotron Resonance Plasma Etching简称ECR Plasma Etching)

ECR利用微波及外加磁场来产生高密度电浆。电子回旋频率可以下列方程式表示：

ω _e =V _e /r (1)

其中V _e是电子速度，r是电子回旋半径。另外电子回旋是靠劳伦兹力所达成，亦即

F=eV _e B=M _e V _e ² /r (2)

其中，e是电子电荷，Me荷为电子质量，B是外加磁场；可得

r=M _e V _e /eB (3)

将(3)代入(1)可得电子回旋频率

ω _e =eB/M _e

当此频率ω _e等于所加的微波频率时，外加电场与电子能量，发生共振耦合，因而产生高的密度电浆。

　　ECR的设备如图（十一）所示，共有二个腔，一个是电浆产生腔，另一个是扩散腔。微波藉由微波导管，穿越石英或氧化铝做成的窗进入电浆产生腔中，另外磁场随着与磁场线圈距离增大而缩小，电子便随着此不同的磁场变化而向晶片移动，正离子则是靠浓度不同而向晶片扩散，通常在晶片上也会施加一个RF或直流偏压，用来加速离子，提供离子撞击晶片的能量，借此达到非等向性蚀刻的效果。

图（十一） 电子回旋共振电浆蚀刻示意图

10. 未来展望

　　当元件越做越小，(<0.18μm)，而晶圆尺寸愈来越大(>8吋)，蚀刻选择率与均匀度就变得很重要。传统RIE因为操作压力高，无法达到垂直侧壁蚀刻，以及在大尺寸晶圆上不易维持良好的均匀度，将不再适用，取而代之的是高电浆密度电浆系统。这类电浆系统不但能在极低压下产生高密度电浆，并且能分别控制电浆密度与离子能量，减少离子轰击损坏，在大尺寸晶圆上亦能保持良好的均匀性，提高生产良率。另外因为尺寸缩小，使得蚀刻图形高的高宽比(Aspect Ratio)增加，再加上光阻的厚度将使得蚀刻更加困难，例如0.25μm宽的铝线，厚度大约0.5μm，而光阻厚约原0.5~1μm，整个高宽比将高达4~6，因此使用除了光阻以外的材料来作为遮罩，或称为硬遮罩(Hard Mask)来改善。另外，图形间距越小或氧化层接触窗的面积越小，蚀刻系统中的反应物或带能量的离子无法到达接触底部，或者反应的产物无法顺利排出接触窗外，使得蚀刻速率降低。面积越小，此现象越严重，亦即所谓的微负载效应(Micro loading Effect)。除此之外，如何减少电浆电荷导致损坏，使用净电吸附夹具，使用多腔设计系统，均是未来蚀刻机趋势。多腔设计可以避免相互污染，并增进生产速率。使用静电吸附夹具可以降低粒子污染，增进晶片冷却效率，而减少电浆导致损坏可使制程上的设计变得更单纯，并提高元件的可靠度。

Reference

(1) 半导体制程技术文京图书公司张景学

(2) 积体电路制程技术五南图书公司李世鸿

(3) 工业技术人才培训计划讲义VLSI制程概论成功大学电机系

(4) 微机电系统之技术现况与发展工研院机械工业研究所

(5) Fundamentals of MICRO FABRICATION Marc Madou

(6) Micro System Technology and Micro robotics S.Fatikow U.Remboed 高立图书公司