馗鼎奈米技術部落格｜電漿設備、DLC鍍膜與表面處理新知

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...

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...

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...

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,...

電漿反應器： 鍍膜首要考慮到均勻度與大面積，所以我們有興趣的地方在輝光放電的區域。利用電漿來鍍膜依靠的主要是電漿態中的離子和自由基。離子可能是反應物或惰性氣體，如果是反應離子，藉由在基板施加偏壓加速撞擊基材；如果是工作離子，例如氬離子，也是靠著偏壓加速撞擊靶材，撞出靶材的原子飛行至基材， 沉積，這是濺鍍的原理。自由基無法受到電場加速，是利用擴散方式鍍膜，然而 薄膜的應力也較小，另有其重要性。這裡先從電漿反應器裝置開始，再談到一些利用電漿的應用。電漿反應器裝置電漿反應器裝置是由電源供應器、抽氣系統、反應器、進料系統、壓力量測系統及監控系統組成。 1.電源供應器引發電漿的電源供應器一般分為直流(DC, Direct Current)電源、射頻(RF, Radio Frequency)電源及微波(MW, Microwave)電源，一般 RF 的頻率 13.56MHz， MW 在 2.45GHz，這是法令與許工廠使用的頻率，現在還有介於中間範圍的電源。 直流輝光放電的方式，電極需裝置在反應器內部，對於要求高純度組成的製程有 污染之虞，而且這種方式容易在電極或反應器上某些地方，因人為或機械製程上的問題造成導電度不好或表面的小突起，容易形成電荷累積產生小電弧。而且直流輝光放電不能用在鍍絕緣膜或者不導電基板，例如塑膠基材。RF 是目前應用最普遍的電源，電極可以如 DC 放電裝置般置入反應器中，或者放到反應器外以耦合(coupled)的方式供給能量。將電極置於反應器內不會造 成上述 DC 放電電荷累積的問題，而且 RF 及 MW 可以用來鍍不導電的基板或絕 緣膜。電極置於反應器外的耦合裝置則如圖二。由於電漿負載阻抗大，使用 RF 需設置匹配電路。目前為避免 DC 的缺點而又不想有 RF 匹配的問題，廠商有脈 衝式電源可供選擇。MW 具有增加解離率的特性，但放電體積較小，而且導引 MW 需利用導波管傳遞為其缺點。目前開發出 ECR 等技術採 MW 配合磁場造成電子的迴旋共振，可使放電大面積化，在高密度電漿會提到。磁場在電漿方面的應用極廣，使電子沿著磁力線迴旋進而增加電子的壽命及極低氣壓下與中性原子或分子碰撞的機率以提高解離率。配合適當大小和方向的磁場，可使高頻能源傳遞進入電漿的效率提高，現在正熱門的高密度電漿，如 Helicon、ECR 即採此原理，在高真空度下產生高解離率的電漿。磁...

電漿現象：我們日常生活中最常接觸到的電漿是太陽、日光燈、霓虹燈以及閃電等，所以人類對電漿的第一印象是，電漿是一團會發光的東西。所謂電漿是一種帶有電子、正負電荷、中性的氣體分子和自由基所組成的，在正常情形下呈電中性，所以大陸地區的科學家稱之為”等離子體”，即取其帶正電荷的離子數目與帶負電荷的(大多是)電子數目相等之意。電漿態是人類繼物質的三態包括氣態、液態及固態後，所發現物質存在的另一狀態，而且就整個宇宙來說，物質以電漿態存在的比例最高。電漿的產生是靠碰撞，靠著電子在電場中加速獲得極高的動能，當碰撞到氣體分子或原子時將能量傳遞過去。因為電子遠較氣體分子或原子小，所以碰撞造成的結果不是增加氣體的動能，而是提高其位能。這個情形就好像一顆高速移動的子彈打在牆壁(連接著地球)上，地球並不會因此移動(動能改變)，而只是牆壁產生了一個洞，可能這個洞還會冒煙(位能提高)。從原子的角度來看，位能的提高造成原子內電子的遷移，如果達到足夠的能量甚至會跳離原子，產生一個離子和一個電子，這是一個如下式的解離反應： e- + Ar →Ar+ + 2 e- (1) 產生的兩個電子再經電場加速到足夠的動能進行下一次的解離，於是由一顆電子產生兩顆，兩顆到四顆，如此以等比級數增加，最後造成全面性的解離崩潰。電子動能的累積牽涉到電場的大小及碰撞的頻率電子的最高動能=電場對電子作功的累積= F‧d (作用力 ‧ 距離)= q ‧ ε ‧ λ其中 q 表粒子的帶電量；ε代表電場大小；λ是粒子的平均自由徑，碰撞頻率越高代表其行走的距離越短，平均兩次碰撞間行走的距離定義為平均自由徑，所以在相同的電場下平均自由徑與碰撞頻率呈反比。從上式來看，因為電子的帶電量 q 是固定的，所以要提高電子的最高動能要從增加電場及增加平均自由徑著手。所以，一般電漿操作的環境在高電壓和低氣壓下。當離子數目到達一定量後，與電子碰撞的機率增加，產生如下式的結合反應： e- + Ar+→ Ar + hν (2) 一部份的離子與電子結合，一部份的離子及電子會消失在與反應腔體及基板的碰撞。電子-離子對產生的速率與消失的速率最後會相等，造成一種動態平衡。在穩定狀態的電漿中，電子-離子對濃度為一定值，這種穩定的電子-離子對數目(濃 度)與原來氣體數目的比值定義為離子化程度(Degree of Ionization)。不同放電方式其離子化程度也不同，...

電子迴旋加速器為日本於1982年開發出來，係利用電子在磁場中迴旋的頻率和微波的頻率2.45GHz一致時，會合微波產生共振現象，而在低壓下吸收高強度的微波功率形成高密度電漿。當電子受一磁場作用時，電子會繞著磁力線作螺旋軌跡圓週運動，其所受的向心力來自於與磁場的作用，由公式計算得知當B=875G時，電子的迴旋頻率和微波的2.45GHz一樣，因而可共振吸收微波。 圖十一：典型ECR系統(a)系統結構(b)軸向磁場變化，顯示有一或多個共振區，視磁場數目而定。HeliconHelicon反應器係利用天線配合磁場產生helicon wave以形成極高密度電漿。典型Helicon反應器及天線設計如圖十二所示：利用天線產生電磁波與軸向的磁場形成helicon wave，此波即可傳遞藉由碰撞振動(Collision damping)及非碰撞蘭道振動(Collisionless Laudau damping)將本身能量傳遞給電漿。Helicon Wave其傳遞沿著軸向，而在徑向形成駐波，其截面形成波形圖案如圖十三所示，實際Helicon反應器如圖十四、圖十五所示。 (圖十一、典型ECR系統(a)系統結構(b)軸向磁場變化) (圖十二、上圖為 Helicon 右手螺旋天線；下圖為左手螺旋天線設計) (圖十三、Helicon 反應器截面波形分佈，其中實線為磁力等位線，虛線為電力等位線) (圖十四、由 Lucas Signaton 公司出產 Vortex Helicon Etcher) (圖十五、Helicon 反應器結構圖(MØRITM Helicon Reactor)) 參考文獻： 1. B. N. Chapman, Glow Discharge Processes, John Wiley & Sons, 19802. J. L. Vossen, W. Kern, Thin Film Processes II, Academic Press, 19913. M. A. Lieberman, A. J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, John Wiley & Sons, 19944. M. Konuma, Film Deposition by Plasma Tec...

隨著半導體製程的進步，在矽基板單位面積內所放入的元件飛快的增加，元件與元件之間的距離勢必越來越狹小，如此不論是蝕刻或鍍膜技術必須相對應的提升其精確度， 電漿 技術的開發更顯重要。由於電漿狀態中具有許多活性粒子，當中會受到電場作用唯有 離子 與 電子 ，為了提高反應的選擇性則必須要使用這些粒子，尤其是離子，當離子經電場吸引，如果在與基板作用前的飛行過程中受到碰撞，一來會損失其能量，二來其飛行軌跡勢必受到干擾。傳統電漿解離率約在1%左右，也就是說通入一百顆分子會形成一顆離子跟九十九顆中性分子，所以 離子跟中性氣體分子碰撞的機率最高，由這個角度來看我們一方面必須減少中性 分子的數目以避免與離子的碰撞，二來必須提高電漿的解離率以增加反應的選擇 性，高密度電漿即針對上述兩點所開發出來的技術。所謂高密度電漿的定義在低氣體 密度 與高電漿密度，從原理說明知道電漿形成係靠碰撞，一旦將氣體密度降 低的結果就是將電子與氣體分子碰撞機率下降，電子無法有效碰撞到氣體分子就 無法造成解離，由於粒子的平均自由徑與壓力也就是氣體密度有關，氣體密度下 降造成電子的平均自由徑增加，其可能由一電極發射到另一電極都不會與氣體產 生碰撞，所以傳統的電極設計在此已不敷使用。以下針對一些現在最常採用的高密度電漿源作一說明比較，包括 ICP、ECR、Helicon 及 PIII 技術。 感應耦合式電漿(Inductively Coupled Plasma, ICP)所謂感應耦合式電漿(Inductively-Coupled-Plasma, ICP)，簡單而言係利用 RF 所產 生的感應磁場引發足夠的能量使氣體解離。其工作原理，如圖 2-4 [42]所示。於 銅線圈上加上一高頻電源（RF power supply），當線圈上之電流隨時間作變化時， 由式 5 之 安培定律 知：∇×H = J + ε0(∂E/∂t) --(5)E:電場強度(Volts/m) H:磁場強度(Amperes/m) J:電流密度(Amperes/m2) 可感應產生一隨時間變動的磁場，並且由式 6 之 法拉第定律 知：∇×E = - μ0(∂H/∂t) --(6) 此變動之磁場會感應一反方向之電場，而此電場會加速空氣中游離的電子。被加速的電子隨著電源供應器功率之提昇而能從中獲得足夠的能量與中性氣體分子 碰撞發生解離進而產生電漿。 高週波感應...