【技術資料】電漿蝕刻

電漿蝕刻
蝕刻係利用化學反應的方式吃出所需要圖案。利用水溶液的方式進行蝕刻又稱濕式蝕刻法，具有蝕刻速度快、等方向性蝕刻、蝕刻殘留液不易處理的後遺症等特性。因為其化學反應進行的方式發生在固體與液體接觸的地方，基本上只 要有固液交界就會產生蝕刻作用，並沒有太明顯方向上的選擇性，此所謂等方向性蝕刻，蝕刻出的溝槽深度與寬度比(aspect ratio)較小。電漿方式進行蝕刻又稱乾式蝕刻法，其反應較慢，但沒有殘液污染的問題，而且非等方向性蝕刻的特性為目前半導體製程主要的蝕刻方式。電漿蝕刻法係利用反應性氣體經過電漿解離活化產生具有蝕刻反應的粒子，包括離子、自由基或原子等，以含氟自由基蝕刻矽或二氧化矽為例，其反應如下式：Si(s) + 4F‧(g) →SiF4(g)SiO2(s) + CFx‧(g) →SiF4(g) + SiF2(g)+CO(g)+CO2(g)+COF2(g)+SiOF2(g)+O2(g)電子在蝕刻反應中雖然並不具有反應性，但就電漿產生的原理其會決定產生活性 粒子的分佈。自由基及原子並不受到電場影響，所以跟水溶液法比較接近，具有 部分等向性蝕刻的特性，見表一~三所示；而離子會受到電場吸引，所以其引發反應的方向會垂直於電場方向，因而其蝕刻出的溝槽的深度與寬度比大。綜合來說，電漿蝕刻法可利用調整電漿參數決定活性粒子的比例，進而決定產生反應的特性。選擇性高，不過因為利用氣相-固相反應較慢，但利於控制。

圖四、左圖為濕式水溶液蝕刻出的溝槽；右圖為電漿蝕刻出的溝槽隨著半導體製程不斷進步，導線間距縮小而需要的深寬比不斷提高，造成濕式蝕刻法不敷要求而面臨到淘汰的命運。不論從選擇性、反應控制與環保需求上各個方向的考量，目前半導體製程幾乎全面採用電漿乾式蝕刻法。不過另一個新興領域微機電系統(Micro Electro Mechanical System, MEMS)因為目前所需的製程條件較半導體製程需求來的低，而且，就蝕刻而言，需利用到濕式蝕刻來形成所需的立體圖案，這是乾式蝕刻無法達到的。以微機電系統常用到的懸臂樑感應器來說明，其圖形如圖五所示：

圖五、微機電系統懸臂樑感應器結構
由於乾式蝕刻的非等向性反應無法將懸臂下方的犧牲層去除，即所謂視線問題(Line of Sight Problem)目前還是必須仰賴濕式蝕刻技術。

參考文獻：
1. B. N. Chapman, Glow Discharge Processes, John Wiley & Sons, 1980
2. J. L. Vossen, W. Kern, Thin Film Processes II, Academic Press, 1991
3. M. A. Lieberman, A. J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and
Materials Processing, John Wiley & Sons, 1994
4. M. Konuma, Film Deposition by Plasma Techniques, Springer-Verlag, 19925. 洪昭南, 電漿反應器, 化工技術, 19956. 洪昭南, 郭有斌, 以化學氣相沉積法成長半導體薄膜, 化工技術, 2000

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【技術資料】濺鍍系統

濺鍍系統

當一固體表面承受高能量離子或原子的撞擊時，就會有物質因動量傳送而從物體表面放射出來，此現象稱為濺射，濺射率(sputtering yield)為每一入射離子可濺出的靶原子數，影響濺射率的重要因素有靶材的表面結構，入射離子的質量與能量等，濺射程序對溫度不敏感。而入射離子的能量需大於界限能量(thresholdenergy)才有能力將靶材原子濺出，金屬靶材的界限能量約在 10~30eV，當入射離子的能量超過界限能量後，濺射率會急速增加，當入射離子能量超過 100eV 後，濺射率幾乎隨入射離子的能量呈線性的增加，而此時的濺射率才有實用的價值。若繼續提高離子的能量，濺射率增加的趨勢變緩，濺射率達到最大值，會再緩緩的下降，此時濺射率隨著入射離子能量的增加而下降是因為離子較深入靶材內部，而內部原子即時被濺離其晶格位置，也未必可到達表面脫離成為被濺出的物質。由以上的敘述我們可以解到濺鍍的基本原理。但基本上濺鍍不是一個能量效率使用很好的物理現象，在離子轟擊靶材表面後，約有 70%的能量轉換成熱，約25%的能量用在產生二次電子，而只有約 2.2%的能量是用在濺射的步驟上，這就是為什麼濺射的靶材必須有足夠的冷卻裝置的原因，以避免表面的溫度過高，而使的蒸鍍的現象發生在濺鍍上。在濺射的過程中，因為產生的電子數量並不多，再加上電子可以迅速的經由其它接地區域(如 chamber wall)而從電漿中移出，如何使得電子在電漿內的數量得以維持，便成為一個重要的課題，因此便有磁控濺鍍法(Magnetron sputtering)的產生。電子是一種帶負電荷的粒子，藉著被電漿與電極板間的電場所加速，電子將可以獲得足夠的能量，以產生並維持電漿的電中性，假如我們在電漿中加入一磁埸，電子將會螺旋式的運動，且其運動的圓周半徑可以寫為:

其中 m e 及 Ve 分別為電子的質量及運動速度， B 為磁埸強度，而 q 為電荷的電量，等於1.6*10 −19 庫侖(Coulomb) 。雖然電子與其它粒子之間的碰撞頻率，在某 一特定壓力下是固定的，但是經磁埸的介入之後，電子往其它接地的區域的移 動將不再是以直線的方式前進，螺旋式的運動，使得電子從電漿裏消失前所經 的距離拉長，因此增加了電子與氣體分子間的碰撞次數，這使得磁控濺鍍可維持在更低的壓力下，電漿也不會熄滅。一般在濺鍍的過程中，除了工作氣體(惰性氣體)外，若再通入反應所需的氣體(如氧氣)，以生成所需的化合物鍍層，即稱為反應濺鍍(Reactive sputteringdeposition)，而此反應氣體有可能會與靶材發生反應，因此在反應濺鍍的過程中，由靶材濺鍍出來粒子除了，中性原子、離子、二次電子外，尚有化合物分子團會被濺射出來。

圖六、(a)傳統濺鍍系統結構(b)磁控濺鍍系統結構




參考文獻：
1. B. N. Chapman, Glow Discharge Processes, John Wiley & Sons, 1980
2. J. L. Vossen, W. Kern, Thin Film Processes II, Academic Press, 1991
3. M. A. Lieberman, A. J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and
Materials Processing, John Wiley & Sons, 1994
4. M. Konuma, Film Deposition by Plasma Techniques, Springer-Verlag, 19925. 洪昭南, 電漿反應器, 化工技術, 19956. 洪昭南, 郭有斌, 以化學氣相沉積法成長半導體薄膜, 化工技術, 2000

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【技術資料】電漿輔助化學氣相沈積鍍膜（Plasma Enhanced CVD, PECVD）

電漿輔助化學氣相沈積鍍膜（Plasma Enhanced CVD, PECVD）
半導體製程上的應用a.氮化矽膜 SiN Si3N4 在半導體製程中是很好的擴散阻擋層(Diffusion Barrier Layer)，具高機械強度、耐氧化性、致密性，通常作為絕緣層及保護層。以前利用 Thermal CVD 法製備 Si3N4，以 SiH4+NH3+N2 在 700~1000oC 下反應得到。利用 PECVD 以 SiH4+NH3 為進料可在低溫下得到含 Si、N 的薄膜。因為電漿的複雜性，PECVD 薄膜受到裝置及條件的嚴重影響，不能簡單決定。其參數就有 1.基板溫度、2.進料比、3. 壓力、4.RF 功率、5.電極結構、6.反應器結構、7.抽氣速率、8.產生電漿的方式 等。其鍍膜的物理性質與傳統 Thermal CVD 法的 Si3N4 比較具有下列特性：

表四、Thermal CVD 與 PECVD 鍍 Si3N4 膜性質比較PECVD 法的 SiN 膜主要性質有：1.具良好階梯覆蓋(Step Coverage)性2.緻密性高，可防止水分滲透3.機械強度大4.無裂縫、針孔等缺陷，可製成厚膜5.附著性佳6.含有氫原子b.氧化矽膜 SiO用來作為電絕緣體及熱絕緣層。製程基本上同 P-SiN，進料換成 SiH4+N2O，其 與傳統薄膜比較如下：

表五、Thermal CVD 與 PECVD 鍍 SiO2 膜性質比較2.反應性濺鍍 (Reactive Sputtering)濺鍍系統的原理是利用電漿中的離子，一般是氬原子，經電場加速撞擊濺鍍靶材 打出其表面原子，鍍到對面的基材上，一般將其歸類為 PVD 製程。利用電漿有活化反應物及促進反應發生的功用，通入反應性氣體經電漿解離，再與濺鍍原子產生反應，在表面形成薄膜。這種方式使的高熔點的固體也可以作為反應原料， 大大拓寬應用的範圍，稱之為反應性濺鍍法。典型的例子如氮化鈦(TiN)的合成，以鈦為靶材，將氮氣(反應性氣體)混合氬氣(濺鍍離子源)通入電漿製成。要注意的是靶材也會吸引反應性粒子，造成其表面的污染，通常在鍍膜前先將基材覆蓋以檔板，先利用電漿中的氬離子清除靶材表面數層原子層以後再行鍍膜。3.電漿聚合法 (Plasma Polymerization) 加高分子單體以蒸汽的方式通入反應器中可獲的電漿聚合高分子薄膜。這種鍍膜 方式可獲得異於傳統聚合法的高分子，其主要特徵是：1.分子結構異於一般聚合方式，是過去不存在的。2.可利用一般聚合方式無法利用的單體。例如甲烷、乙純等。3.屬高度架橋(Cross Linking)的結構，具高耐熱性、高絕緣性、化學惰性，沒有 針孔缺陷。其反應器如圖七示，電漿聚合的生成機制為 1.單體活化、2.活化粒子擴散至基 材、3.聚合反應 單體進入電漿形成許多自由基，再進行聚合反應，聚合反應是在氣相或表面或兩 者同時發生，膜的型態隨壓力、進料流量和電漿功率而變。其可能的機構如下：

圖八、電漿聚合可能的反應機構，其中 Mi 表示起始單(initial monomer)，經電漿反應成(Mi*)或(*Mk*)自由基，這些自由基再和其他氣體分子(M)或自由基(Mi*)、(*Mk*)鍵結反應，生成各種大分子或大自由基，這些粒子能會被電漿分解成小自由基或再經過另一個循環形成更大的分子或自由基。

參考文獻：
1. B. N. Chapman, Glow Discharge Processes, John Wiley & Sons, 1980
2. J. L. Vossen, W. Kern, Thin Film Processes II, Academic Press, 1991
3. M. A. Lieberman, A. J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and
Materials Processing, John Wiley & Sons, 1994
4. M. Konuma, Film Deposition by Plasma Techniques, Springer-Verlag, 19925. 洪昭南, 電漿反應器, 化工技術, 19956. 洪昭南, 郭有斌, 以化學氣相沉積法成長半導體薄膜, 化工技術, 2000

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【技術資料】電漿放電形式

電漿放電形式：
對一個低氣壓的反應器內氣體施加一個外部電場，其電壓對電場的關係如圖 一所示：

圖一、低壓電漿反應器內電壓電流關係
電壓由零開始增加，已可偵測到飽和電流，這是因為宇宙中充斥著一種高能的γ-Ray，在地球上大氣層的保護下只允許極少部份的γ-Ray 進入，不過這些少數的γ-Ray 已可造成氣體的部份解離(可以想見宇宙其他地方沒有大氣層之類的保護情形下，解離程度非常可觀)，所以小電壓即產生小的飽和電流，這個區域叫Townsend Discharge。電壓繼續增加到約 600V，利用上述γ-Ray 產生的電子在電場中被加速，對原子或分子碰撞解離，電子大量增加造成前面提到的崩潰解離，這區域叫 Avalanche Discharge。並需藉特殊的電源供應器維持住電漿，此時進入正常輝光放電(Normal Glow Discharge)。我們可以將電漿想像成河流，電流密度是水平面，當開出一條往下遊走的通道後，所有水都會沿著這條通道走，流量固定時液面是等高度的，當流量增加後才慢慢往兩邊拓寬，維持液面等高。電漿此時會保持電極板上的電流密度固定(所以電壓固定)，而電流增加是來自於放電面 積的增加。這個區域電漿有集中的現象。當放電面積擴大到整個電極板時，要提高電流則需再提高電壓而進入異常輝光放電(Abnormal Glow Discharge)的區域。一般製程都操作在此區域，因為此區域放電面積最大、電漿均勻，且電壓電流的關係接近線性，易於控制，所以電漿也有人稱呼為輝光放電(Glow Discharge)。 再繼續增加電流密度，陰極溫度提高，當足以發射熱電子(Thermal Emission Electron, 像燈泡燈絲經加熱，金屬表面的電子很容易獲得足夠的能量脫離束縛，此稱熱電子)時，電流提高。這是一個惡性循環，當電流提高造成陰極溫度上昇而發射熱電子，再造成電流的提高增加陰極溫度．．．．，維持的電壓反而下降；所以這個區域呈現負電阻的現象。此區域叫電弧放電(Arc Discharge)。
參考文獻：
1. B. N. Chapman, Glow Discharge Processes, John Wiley & Sons, 1980
2. J. L. Vossen, W. Kern, Thin Film Processes II, Academic Press, 1991
3. M. A. Lieberman, A. J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and
Materials Processing, John Wiley & Sons, 1994
4. M. Konuma, Film Deposition by Plasma Techniques, Springer-Verlag, 19925. 洪昭南, 電漿反應器, 化工技術, 19956. 洪昭南, 郭有斌, 以化學氣相沉積法成長半導體薄膜, 化工技術, 2000

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