蚀刻类别与技术应用

  蝕刻技術(Etching Technology)

9-1 前言

    蝕刻是將材料使用化學反應或物理撞擊作用而移除的技術。

    蝕刻技術可以分為『濕蝕刻』(wet etching)及『乾蝕刻』(dry etching)兩類。在濕蝕刻中是使用化學溶液，經由化學反應以達到蝕刻的目的，而乾蝕刻通常是一種電漿蝕刻(plasma etching)，電漿蝕刻中的蝕刻的作用，可能是電漿中離子撞擊晶片表面的物理作用，或者可能是電漿中活性自由基(Radical)與晶片表面原子間的化學反應，甚至也可能是這兩者的複合作用。

    在航空、機械、化學工業中，蝕刻技術廣泛地被使用於減輕重量(Weight Reduction)儀器鑲板，名牌及傳統加工法難以加工之薄形工件等之加工。在半導體製程上，蝕刻更是不可或缺的技術。

9-2 濕蝕刻(Wet etching)

    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　如圖（一）所示

 

圖（一）　以濕式法進行薄膜蝕刻時，蝕刻溶液（即反應物）與薄膜所進行的反應機制。

濕蝕刻進行時，溶液中的反應物首先經由擴散通過停滯的邊界層(boundary layer)，方能到達晶片的表面，並且發生化學反應與產生各種生成物。蝕刻的化學反應的生成物為液相或氣相的生成物，這些生成物再藉由擴散通過邊界層，而溶入主溶液中。

    就濕蝕刻作用而言，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，通常濕蝕刻對不同材料會具有相當高的『選擇性』(selectivity)。然而，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)。等向性蝕刻意味著，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（二）所示。相反的，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（二）（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。

 

圖（二）　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

 

圖（三）　薄膜經近似於非等向性蝕刻後的SEM照片

SEM(Scanning Electron Micro Scope)掃描式電子顯微鏡

由於等向性且造成底切，因此濕蝕刻不適合高深寬比(Aspect Ratio)及孔穴寬度(Cavity Width)小於2-3μm元件之蝕刻。

    在航空、化學、機械工業中濕蝕刻就是化學加工(Chemical Machining 簡稱CHM)，也可稱為化學蝕刻(Chemical Etching)。化學蝕刻包括

(1) 化學銑切(Chemical Milling)

如飛機翼板(Wing Skin)及引擎零件(Engine Part)之減輕重量(Weight Reduction)如圖（四）所示

 

圖（四）　蝕刻後之飛機引擎零件

(2) 化學剪穿(Chemical Blanking)

光化學剪穿(Photo Chemical Blanking)簡稱為光蝕刻(Photo Etching)就是薄形元件在微影(Lithography)(光阻塗佈，曝光、顯像)後再加以蝕刻，其產品如圖（五）所示

 

圖（五） 蝕刻後之成品

(3) 化學雕刻(Chemical Engraving)

在儀器鑲板、名牌及其他傳統上，在縮放雕刻所製造或藉模壓印所生產的零件僅可利用化學雕刻法完成。如圖（六）所示

 

圖（六）　示波器正面板上高細度雕刻

9-3 乾蝕刻(Dry Etching)

     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)

乾蝕刻是一種非等向性蝕刻(Anisotropic Etching)如圖（七）所示，具有很好的方向性(Directional Properties)但比濕蝕刻較差的選擇性(Selectivity)

 

圖（七）　單晶矽之非等向性蝕刻

9-4 電漿(Plasma)

    電漿是一種由正電荷（離子），負電荷（電子）及中性自由基(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)。

   

    當氣體受強電場作用時，氣體可能會崩潰。一剛開始電子是由於『光解離』(photoionization)或『場放射』(field emission)的作用而被釋放出來。這個電子由於電場的作用力而被加速，動能也會因而提高。電子在氣體中行進時，會經由撞擊而將能量轉移給其他的電子。

    電子與氣體分子的碰撞是彈性碰撞。然而隨著電子能量的增加，最終將具有足夠的能量可以將電子激發，並且使氣體分子解離。此時電子與氣體分子的碰撞則是非彈性碰撞，最重要的非彈性碰撞稱為『解離碰撞』(ionization collision)，解離碰撞可以釋放出電子。而被解離產生的正離子則會被電場作用往陰極移動，而正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電子』。如此的過程不斷連鎖反覆發生，解離的氣體分子以及自由電子的數量將會快速增加。一旦電場超過氣體的崩潰電場，氣體就會快速的解離。這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子，因此氣體的光線放射主要是由於電子激發所造成。

9-5 濺擊蝕刻(Sputter Etching)

    將惰性的氣體分子如氬氣施以電壓，利用衍生的二次電子將氣體分子解離或激發成各種不同的粒子，包括分子、原子團(Radical)，電子、正離子等，；正離子被電極板間的電場加速，即濺擊被蝕刻物，具有非常好的方向性（垂直方向），較差的選擇性，因光阻亦被蝕刻，被擊出之物質為非揮發性，又沈積在表面，困此在VLSI中很少被使用。

9-6 電漿蝕刻(Plasma Etching)

    利用電漿將蝕刻氣體解離產生帶電離子、分子、電子以及反應性很強(即高活性)的原子團（中性基 Radical）此原子團與薄膜表面反應形成揮發性產物，被真空幫浦抽走。

    電漿蝕刻類似濕蝕刻，利用化學反應，具有等向性和覆蓋層下薄膜的底切(Under Cut)現象，由於電漿離子和晶片表面的有效接觸面積比濕蝕刻溶液分子還大，因此蝕刻效率較佳。其系統設備示意圖如圖（八）

 

圖（八）　電漿蝕刻系統設備示意圖

RF電源為13.56MHz之交流射頻電源(Radio Frequency)

9-7 反應性離子蝕刻(Reactive Ion Etching 簡稱RIE)

    最為各種反應器廣泛使用的方法，便使是結合(1)物理性的離子轟擊與(2)化學反應的蝕刻。此種方式兼具非等向性與高蝕刻選擇比等雙重優點，蝕刻的進行主要靠化學反應來達成，以獲得高選擇比。加入離子轟擊的作用有二：一是將被蝕刻材質表面的原子鍵結破壞，以加速反應速率。二是將再沈積於被蝕刻表面的產物或聚合物(Polymer)打掉，以使被蝕刻表面能再與蝕刻氣體接觸。而非等向性蝕刻的達成，則是靠再沈積的產物或聚合物，沈積在蝕刻圖形上，在表面的沈積物可為離子打掉，故蝕刻可繼續進行，而在側壁上的沈積物，因未受離子轟擊而保留下來，阻隔了蝕刻表面與反應氣體的接觸，使得側壁不受蝕刻，而獲得非等向性蝕刻。如圖（九）所示

    應用乾式蝕刻主要須注意蝕刻速率，均勻度、選擇比、及蝕刻輪廓等。蝕刻速率越快，則設備產能越快，有助於降低成本及提升競爭力。蝕刻速率通常可藉由氣體種類、流量、電漿源及偏壓功率所控制，在其他因素尚可接受的條件下，越快越好。均勻度是晶片上不同位置的蝕刻率差異的一個指標，較佳的均勻度意謂著晶圓將有較佳的良率(Yield)，尤其當晶圓從3吋、4吋、一直到12吋，面積越大，均勻度的控制就顯的更加重要。選擇比是蝕刻材料的蝕刻速率對遮罩或底層蝕刻速率的比值，控制選擇比通常與氣體種類與比例、電漿或偏壓功率、甚至反應溫度均有關係。至於蝕刻輪廓一般而言愈接近九十度越佳，除了少數特例，如接觸窗或介層洞(Contact Window and Via Hole)，為了使後續金屬濺鍍能有較佳的階梯覆蓋能力(Step Coverage)，而故意使其蝕刻輪廓小於九十度。通常控制蝕刻輪廓可從氣體種類、比例、及偏壓功率來進行。

 

圖（九）　非等向性蝕刻示意圖

    電漿離子的濃度和能量是決定蝕刻速率的兩大要素，為了增加離子的濃度，在乾式蝕刻系統設計了兩種輔助設備：(1)電子迴轉加速器(Electron Cyclotron)，(2)磁圈(Magnet Coil)。前者是利用2.54GHz的微波來增加電子與氣體分子的碰撞機率；而後者則是在真空腔旁加入一個與二次電子運動方向垂直的磁場，使得電子以螺旋狀的行徑來增加與氣體分子的碰撞機率。

9-7 磁場強化反應性離子蝕刻　(Magnetic Enhanced RIE 簡稱MERIE)

    MERIE是在傳統的RIE中，加上永久磁鐵或線圈，產生與晶片平行的磁場，而此磁場與電場垂直，因為自生電壓(Self Bias)垂直於晶片。電子在此磁場下，將以螺旋方式移動，如此一來，將會減少電子撞擊腔壁，並增加電子與離子碰撞的機會，而產生較高密度的電漿，然而因為磁場的存在，將使離子與電子偏折方向不同而分離，造成不均勻及天線效應的發生。因此，磁場常設計為旋轉磁場。MERIE的操作壓力，與RIE相似，約在0.01~1Torr之間，當蝕刻尺寸小於0.５μm以下時，須以較低的氣體壓力以提供離子較長的自由路徑，確保蝕刻的垂直度，因氣體壓力較低，電漿密度也隨著降低，因而蝕刻效率較差。所以較不適合用於小於0.5μm以下的蝕刻。

 

圖（十）   磁場強化RIE(MERIE)示意圖

9-8 電子迴旋共振式離子反應電漿蝕刻 (Electron Cyclotron Resonance Plasma Etching 簡稱ECR Plasma Etching)

    ECR利用微波及外加磁場來產生高密度電漿。電子迴旋頻率可以下列方程式表示：

           ω_e=V_e/r  (1)

其中V_e是電子速度，r是電子迴旋半徑。另外電子迴旋是靠勞倫茲力所達成，亦即

           F=eV_eB=M_eV_e²/r  (2)

其中，e是電子電荷，Me荷為電子質量，B是外加磁場；可得

           r=M_eV_e/eB  (3)

將(3)代入(1)可得電子迴旋頻率

           ω_e=eB/M_e

    當此頻率ω_e等於所加的微波頻率時，外加電場與電子能量，發生共振耦合，因而產生高的密度電漿。

   

    ECR的設備如圖（十一）所示，共有二個腔，一個是電漿產生腔，另一個是擴散腔。微波藉由微波導管，穿越石英或氧化鋁做成的窗進入電漿產生腔中，另外磁場隨著與磁場線圈距離增大而縮小，電子便隨著此不同的磁場變化而向晶片移動，正離子則是靠濃度不同而向晶片擴散，通常在晶片上也會施加一個RF或直流偏壓，用來加速離子，提供離子撞擊晶片的能量，藉此達到非等向性蝕刻的效果。

 

圖（十一）　電子迴旋共振電漿蝕刻示意圖

9-9 未來展望

    當元件越做越小，(<0.18μm)，而晶圓尺寸愈來越大(>8吋)，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。另外因為尺寸縮小，使得蝕刻圖形高的高寬比(Aspect Ratio)增加，再加上光阻的厚度將使得蝕刻更加困難，例如0.25μm寬的鋁線，厚度大約0.5μm，而光阻厚約原0.5~1μm，整個高寬比將高達4~6，因此使用除了光阻以外的材料來作為遮罩，或稱為硬遮罩(Hard Mask)來改善。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，使用淨電吸附夾具，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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