第九章蝕刻技術(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。
reactive ion etching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