微影術形成奈米線條遮罩，如何精準移轉至晶圓上不失真，是當今積體電路蝕刻製程技術極為艱鉅的任務。
21-1 濕蝕刻
21-2 乾蝕刻
光微影蝕刻術之目的就是將光罩上的圖案移轉至晶圓上，晶圓上光阻劑通過軟烤、曝光顯影、硬烤後，就準備開始下一個製程一蝕刻。蝕刻技術可分為兩種 (1) 濕蝕刻 (2) 乾蝕刻
21-1 濕蝕刻(Wet Etching)
濕蝕刻的基本概念就是用蝕刻劑在化學液中與晶圓表面反應産生可以溶解於液體的產物或氣體，或氧化晶圓表面成氧化物溶解於液體中，主要優點對遮罩物有高選擇性且設備低廉，主要缺點是等向性。
濕蝕刻速率主要決定於兩種機制一蝕刻劑擴散限制與表面化學反應速率限制，當反應受限於蝕刻劑擴散限制，因為是非線性而不利於製程控制，表面化學反應速率限制是較佳的，因為只要控制溫度與蝕刻劑組成即可調整蝕刻速率。濕蝕刻有一些缺點，如化學藥品爆炸的危險性，等向性蝕刻的底切(undercut)，氣泡的產生使局部無法蝕刻。
濕蝕刻最常用的方法就是將晶圓浸入先設定好溫的蝕刻溶液中，蝕刻速率和經驗決定蝕刻時間，通常蝕刻速率與溫度成正比關係。假若未被光阻劑保護區蝕刻的很成功，晶圓就可進行下一步。
21-1-1矽製程濕蝕刻 (Wet Etching in Si Process)
矽晶圓製程中常碰到的材料及其對應之濕蝕刻化學藥品列於表21-1中。
🔽 表21-1 矽晶圓製程中所用的濕蝕刻
| 材料 | 蝕刻 |
|---|---|
| 二氧化矽 | HF、NH4F(緩衝氧化蝕刻) |
| 鋁 | H3PO4、 CH3COOH、 HNO3 |
| 多晶矽 | HF、 HNO3、 CH3COOH、 KOH |
| 氮化矽 | H3PO4 |
| 矽 | HF、 HNO3、H2O |
| 銀 | NH4OH、 H2O2 |
| 金 | HNO3、 HCI |
| 銦 | HNO3、 HCI |
| 銅 | HNO3、H2O |
| 鎳 | CH3COOH、 KOH、 HCI |
| 白金 | HNO3、 HCI、H2O |
| 鎢 | HNO3、HF |
蝕刻完畢後，除去光阻劑，做最後檢查。光阻劑除去的方法有將其於溶於溶劑中，或用熱硫酸除去，或用使用日益廣泛的電漿技術將其氧化除去 [或稱為灰化(ashing)]。再進行下一步驟前，晶圓做最後檢查，不合乎標準的晶圓重新再做，或捨棄不要，所有好的晶圓進行下一步驟處理。
濕蝕刻最大的問題在底切，如圖21-1(a)所示。大部分的濕蝕刻都是沒有方向性，也就是在晶圓各方向上的蝕刻速率相等，稱為等向性蝕刻，故在光阻下方會向內部沿伸，使線寬縮小，IC佈局(layout)圖案產生失真。均向性蝕刻所產生之線寬縮小失真並不是一大問題，只要加大原來光阻劑線寬尺寸，補償線寬縮小尺寸就可。但當導線寬度與導線與導線間間隔都很小時，若要補償線寬而縮小間隔，會引起佈局設計及面積利用率更大的困難，一般經驗中2μm是濕蝕刻的極限。為了解决等向性蝕刻問題改用非等向性乾蝕刻如圖21-1(b)所示，非等向性蝕刻程度之表示為
A= 1 – Vh /Vv = 1 – Lh / Lv (21-1)
A 是非等向性蝕刻程度
Vh 是水平蝕刻速率，Lh 是水平蝕刻深度
Vv 是垂直蝕刻速率，Lv 是垂直蝕刻深度
例如 Vh 為0，則A為1 ，代表完全非等向性蝕刻，這是乾蝕刻希望達到目標。
(a) 濕蝕刻之底切
(b)乾蝕刻之垂直蝕刻
🔼 圖21-1 濕蝕刻與乾蝕刻
21-1-2 化合物半導體濕蝕刻 (Compound Semiconductor Wet Etching)
III-V化合物半導體濕蝕刻的基本概念完全相同，當今重要的砷化鎵、氮化鎵、碳化矽對應之濕蝕刻化學藥品列於表21-2中。
砷化鎵(GaAs)濕蝕刻針對不同目的有許多不同配方，例如平台(mesa)蝕刻配方有HF : H2O2 : H2O= 1 : 9 : 90 (400奈米 / 分鐘)，H2SO4 : H2O2 : H2O = 1 : 8 : 160 (500奈米 / 分鐘)，NH4OH : H2O2 : H2O = 1 : 1 : 1000 (250奈米 / 分鐘)，都有穩定的蝕刻速率。
氮化鎵(GaN) 化學鍵非常強，濕蝕刻是非常困難的。GaN 濕蝕液中有氧化劑及還原劑，檸檬酸 / 雙氧水(citric acid / H2O2 )蝕刻速率可達580奈米 / 分鐘，蝕刻面較粗糙。若使用光補助電化學蝕刻(photo-enhanced electrochemical，PEC)，使用KOH溶液蝕刻液，並使用UV照射，蝕刻速率可達100奈米 / 分鐘；使用K2S2O8氧化劑與KOH還原劑，蝕刻速率可達50 奈米 / 分鐘。
🔽表21-2 化合物半導體晶圓所用的濕触刻
| 材料 | 蝕刻劑 |
|---|---|
| 砷化鎵 | H2SO4 ：H2O2：H2O |
| 氮化鎵 | H3PO4 (85%)， citric acid / H2O2， HCI / H2O， KOH |
| 碳化矽 | KOH，HF + HNO3 |
碳化矽(SiC) 濕蝕刻基本概念相局，表面先氧化再將氧化物溶解。使用PEC技術蝕刻碳化矽，以水為氧化劑將SiC氧化成SiO2，HF蝕刻SiO2，SiC表面作為陽極，Pt作為陰極，化學反應如下：
SiC + 2H2O + 4h+ → SiO+ CO + 4H+ (21-2)
SiC + 4H2O + 8h+ → SiO2+ CO2 + 8H+ (21-3)
h+ 是電洞，蝕刻時使用紫外光照射增加電洞濃度，可以增加蝕刻速率。由於SiC單晶與非晶對氫氟酸與硝酸混合液 (HF + HNO3) 有很大的蝕刻速率差異，使用離子佈植先將SiC 單晶非晶化，再用氫氟酸與硝酸混合液蝕刻有很好的結果。
21-2 乾蝕刻(Dry Etching)
化學反應的發生要先使反應物達到活化狀態，即能量超過反應活化能(activation energy)，化學反應才得以進行。蝕刻也是一種化學反應，電漿就是使反應物達到活化狀態的一種有效方法。乾蝕刻也就”電漿蝕刻“(plsma etching)，是現今IC製程中廣泛使用的一種蝕刻技術，電漿蝕刻反應大致上分五個步驟：(1)反應氣體在電漿產生器中形成電漿，(2) 電漿中反應物擴散並吸附至被蝕刻物表面，(3)化學反應(含有物理效應)後形成揮發性生成物，(4) 揮發性生成物脫離表面排出反應室。這五步驟決定電漿蝕刻之速率。乾蝕刻依反應腔操作形態基本上分為兩類：
(1) 電容耦合式電漿蝕刻機 (capacitively coupled plasma etcher-CCP)。
(2) 電感耦合式電漿蝕刻機(inductively coupled plasma etcher-ICP)。
21-2-1電容耦合式電漿蝕刻機 (Capacitive Coupled Plasma Etcher-CCP)
電容耦合式電漿蝕刻機 (CCP) 如圖21-2 所示，有上下兩個電極，形狀有如一個電容，故得此名。操作原理是在反應腔抽真空後，送入適量反應氣體，所用反應氣體依蝕刻物而定，例如：蝕刻矽使用SF6或CF4，蝕刻光阻劑使用 CF4 / O2氣體，蝕刻氮化矽(Si3N4)使用CF4 / O2、C2F6氣體，蝕刻多晶矽使用CF4 / O2、SiF4 / O2氣體。CCP蝕刻機工作壓力較高，約在10-2 torr以上，導致電子均自由路徑(mean-free-path)短(平均自由路徑係指氣體粒子與粒子連續兩次碰撞間所行經路徑的平均長度，壓力愈低，氣體的平均自由路徑會愈長，氣體粒子之碰撞機率也較低)，電子撞擊反應氣體游離率低，所產生的電漿密度不高，約為109 ion /cm3，蝕刻速率較ICP低。
在反應器上方電極輸入射頻電源 (RF-radio frequency ，頻率一般為13.56 MHz)如圖21-2(a)所示，稱為電漿蝕刻模式(plasma etch mode) ，使氣體中原本就存在的少量游離電子加速撞擊反應氣體產生更多游離電子，最後將反應氣體游離成穩定電漿。電漿主要成分有三種：自由電子、帶正電離子、中性原子與自由基 (free radicals)，其中自由基是一種活性甚高的化學反應物質，也是電漿產生蝕刻最主要的成分。反應腔中正離子與電子不斷產生與中和會發出明顯的可見光。
(a) 射頻加上電極上
(b)射頻加基板在電極上
🔼圖 21-2 電漿電耦合式電漿蝕刻系統
早期用於除去光阻劑，也就是灰化(ashing) 所使用稱為桶型電漿蝕刻機(barrel plsma etcher) 如圖21-3所示就是這一類。桶型蝕刻機有一個圓桶型的設計，工作在約0.1~1 torr的氣壓下，射頻電源加在圓桶兩側的電極上，內部帶孔洞的金屬圓桶將電漿限制金屬圓筒和腔壁之間，金屬圓桶內有晶圓垂直放置于石英丹上，彼此間隙很小並且與電廠平行放置。金屬圓桶可以隔離帶電的正離子和負電子，讓電漿中的中性原子與自由基通過孔洞擴散至蝕刻區域，所以蝕刻是純化學等向性蝕刻。
🔼圖21-3 桶型電漿蝕刻系統
21-2-2 活化離子蝕刻機 (RIE-Reactive lon Etcher)
當射頻電源加在下方基板電極上如圖21-2(b)所示，稱為活化離子蝕刻模式(reactive ion etch mode) ，基板承載器下方有一絕緣板，會阻絕直流電流的通過，反應氣體受到射頻交流電場的影響在真空電漿反應器中游離，產生的電漿中有帶正電的正離子與帶負電的電子，在射頻交流電位負半週時可吸引正離子至基板表面，在正半週時可吸引電子至基板表面。由於，電子質量遠小於正離子，移動速度遠快於正離子，故相對比較之下，在射頻交流電位正半週時可吸引較多的電子至基板表面，在負半週時有較少的正離子吸至基板表面，於是每個週期都會有淨電子累積在基板表面，若干週期後，基板表面就累積了平衡穩定的電子數，故在基板表面建立一直流負電位。基板表面附近區域中因正離子濃度低，故與電子結合率低，產生的電漿輝光很弱，在視覺上形成為一暗區，稱為被覆區(sheath)。也由於基板的負電位，電漿正離子若進入被覆區就會被電場加速撞擊基板，增進對基板進行垂直方向的物理性蝕刻，增進了非等向性蝕刻程度。簡而言之，活化離子蝕刻中的化學蝕刻是等向性蝕刻，物理性蝕刻就是非等向性蝕刻。
21-2-3 邊牆機制輔助非等向性蝕刻 (Anisotropic Etching Assisted by Sidewall Mechanism)
在上節中談到，RIE電漿蝕刻中化學性等向性蝕刻加上物理性垂直蝕刻，就構成電漿蝕刻產生非等向性蝕刻之原理。在理論上，正離子物理性撞擊是垂直的，由於正離子與正離子間之排斥與碰撞，會産生散射效應，即産生水平方向撞擊，因此蝕刻結果並非完全理想。由於還有一種邊牆機制(sidewall mechanism)，會使得結果較趨於理想，就是蝕刻反應生成之非揮發產物 (通常高分子材料)，會再沉積在邊牆上，如圖21-4所示，形成一種穩定的保護層，阻隔了水平方向的蝕刻。總而言之，乾蝕刻要達到100%垂直蝕刻很很不容易的。
🔼圖 21-4 乾蝕刻之邊牆效應
21-2-4 電感耦合式電漿蝕刻機 (Inductively Coupled Plasma Etcher-ICP)
電感耦合式電漿蝕刻機其産生電漿之方式係在真空腔體上方設置多重感應線圈，當射頻電流流過線圈時，經由線圈感應產生出一交流磁場，透過介質窗，在介質窗對面產生一平行介質窗環繞交流電場 1，該交流電場使電子正反方向加速撞擊反應氣體分子成離子產生電漿，如圖21-5所示。相較於CCP蝕刻有幾項明顯的優點：
(1) 電子加速方向是環繞該磁場並平行於晶圓表面之方向；同理，電漿中正離子加速方向與電子相反也平行於晶圓表面 (不易撞擊晶圓表面)，所以ICP蝕刻主要機制是中性的自由基控制之化學蝕刻，而非正離子控制之物理蝕刻，不會對晶圓產生傷害，所以ICP是一個等向性蝕刻機。當輸入射頻電源功率增大時，可以得到相當高的電漿密度增加蝕刻速率，此為重要優點。反觀CCP蝕刻機，電場係產生於兩極板之間，而導致正離子加速方向垂直於晶圓表面，若增加輸入射頻電源功率，將導致正離子加速大，產生撞擊力量大，會造晶圓嚴重傷害，因此CCP蝕刻機有功率的基本限制。
(2) ICP反應腔內電子與離子是環繞著電力線而行，可以不斷地與反應氣體相互碰撞，提高產生電漿的效率。此外，ICP工作壓力約在1 X 10-3 torr，CCP 反應器工作壓力約為10-2 torr以上，因此ICP中電子平均自由路徑較長，也就是可在較低的壓力點燃電漿，兩個機制使ICP電漿密度可達約1011 / cm³以上，而CCP蝕刻機的電漿密度只有109/ cm³的數量級，電漿密度高即參與反應的化學物質濃度高，也就是蝕刻速率高。
(3) 為了提高ICP的非等向蝕刻機能，在晶圓座加上一個射頻電源，如圖21-5底部所示，會在晶圓上產生負感應直流偏壓，產生電場 2 吸引加速正離子對晶圓進行垂直物理性蝕刻，稱為電感耦合式電漿活化離子蝕刻機 (ICPRIE-Inductivly Coupled Plasma Reactive Ion Etcher)，應用範圍更廣。
🔼圖21-5 電感耦合式電漿蝕刻機
21-2-5 遠端電漿蝕刻機 (Remote Plasma Etcher)
電漿中有自由電子、帶正電離子、中性原子與自由基，還有高能量輻射，中性自由基是電漿蝕刻最主要的成分，其餘的成分經常對晶圓上的電路造成傷害，使用遠端電漿蝕刻機如圖21-6可以解決這個問題。電漿產生後，只有主要負責蝕刻的中性自由基經由傳輸區導入蝕刻腔進行蝕刻，由於中性自由基不會被電場導向故分佈角度大，非等向性蝕刻效率不佳。
🔼圖21-6 遠端電漿蝕刻機
21-2-6化合物半導體乾蝕刻 (Compound Semiconductor Dry Etching)
由於化合物半導體的濕法化學蝕刻成效有限，因此投入大量研究開發乾蝕刻。乾蝕刻的開發初期集中在要求高蝕刻速率，非等向性，和光滑側壁。RIE與ICP是最為廣用的兩類乾蝕刻，所使用的蝕刻氣體如表21-3所示。
我們舉碳化矽乾蝕刻為例，氟化物CHF3、CBrF3、CF4、SF6、NF3和O2都有使用，其中SF6和O2最為廣為使用，反應化學反應式為
Si + xF → SiFx (21-4)
C + yF → CFy (21-5)
C + zO → COz (21-6)
SiFx、CFy、COz 都是揮發性材料。使用RIE蝕刻面較為粗糙，選擇性較低，使用ICP非等向蝕刻較佳是目前使用最廣的工具。光阻，SiO2 and Si3N4都可用於遮罩材料，金屬內Ni 材料遮罩的蝕刻選擇最好，使用SF6和O2配方的蝕刻選擇比達到100 : 1 ，碳化矽的蝕刻速率達到 1.5 – 1.6 μm/min，但須注意金屬污染。
🔽 表21-3 化合物半導體晶圓所用之乾蝕刻
| 材料 | 蝕刻劑 |
|---|---|
| 砷化鎵 | Cl2 |
| 氮化鎵 | Cl2 / Ar 650 nm/min |
| 碳化矽 | SF6 / O2 1 .5 μm/min |
21-2-7原子層蝕刻技術 (Atomic Layer Etching)
原子層蝕刻(atomic layer etching-ALE)和原子層沉積(atomic laye deposition-ALD)相反，是一種可以蝕刻單原子(分子)層薄膜的化學氣相蝕刻技術。ALE可分為兩大類一電漿ALE和高溫ALE，適用於不同類型的蝕刻。當然也有結合兩種技術進行ALE。通常，電漿ALE 具有異向性(anisotropic)或定向蝕刻能力，相反的，高溫ALE 具有均向性(isotropic)蝕刻能力。以目前發展狀態，電漿 ALE和高溫ALE有各自容易處理的對象，仍需要進一步的發展。
ALE的蝕刻機，以電漿ALE 使用氯 (Cl2) 和氬 (Ar) 蝕刻矽薄膜為例。首先，氯分子氣體注入反應腔，解離後吸附到矽表面形成矽氯化合物層，吸附速率被氯分子的解離速率所決定，吸附達到完全飽和狀態所需的時間大約30秒。將過量未反應的氯氣被排除後，注入氬離子轟擊除去矽氯化合物層。重複週期達到所要的蝕刻深度。
再以高溫ALE使用氧(O2)、氫氟酸(HF)和三甲基鋁(AI(CH3)3)蝕刻矽薄膜為例。首先，氧分子氣體注入反應腔，解離後吸附到矽表面形成氧化矽(SiO2)層，三甲基鋁將氧化矽轉成氧化鋁(Al2O3)，氫氟酸將氧化鋁(Al2O3)，最後經由三甲基鋁與氟化鋁應去除，蝕刻速率在290°C約為0.04nm / 週期。
電漿ALE和高溫ALE的基本反應機制類似，先進行表面改變(surface modification) 再進行表面去除(surface removal) ，ALE與ALD 原子層沉積相輔相成，可以使用ALD控制薄膜生長，然後使用ALE蝕刻薄膜。
21-2-8 聚焦離子束 (Focused lon Bea,FlB)
穿透式電子顯微鏡(TEM)樣品需要薄至約100奈米以下才方便觀察，目前都使用聚焦離子束(focused ion beam-FIB)來切割，FIB裝置類似掃描電子顯微鏡(SEM)，使用聚焦離子束代替SEM電子束對樣品進行特定位置的濺射蝕刻，可以蝕刻至奈米尺寸，產生的二次電子和二次離子都可用於成像進行細微觀察。
FIB一般使用液態金屬鎵離子源，也有使用稀有氣體如氙氣離子束。加熱的鎵浸濕鎢針後流到尖端，表面張力和電場的作用力將鎵形成半徑非常小( ~2nm)的尖端，在尖端上加上巨大電場（每厘米大於1 Ｘ 108伏) 電離鎵原子同時進行場發射，將鎵離子加速到 1~50 keV，通過靜電透鏡聚焦到樣品上，最小的蝕刻尺寸約10~15nm。對絕緣樣品，可以使用低能電子槍來中和電荷。
FIB另可用於沉積材料，例如 : 將六羰基鎢(W(CO)6)氣體導入FIB真空室，用離子束將氣體分解引發鎢沉積。FIB在半導體中有廣泛應用，如積體電路上特定位置的缺陷分析，光罩修復和TEM樣品製備等，還可用於電路修改，不僅可用於切斷不需要的電連接，還可以沉積金屬材料進行電連接。
21-2-9 化學機械拋光(Chemical-Mechanical Polishing,CMP)
近年來，化學機械抛光的發展對多層金屬互連日趨重要，因為它是目前唯一可進行整片晶圓表面平坦化(global planarization)的技術。它有許多優點：對不同結構均可獲得好的全面平坦化，缺陷密度小及可避免電漿損傷。
CMP設備包刮三個主要部分如圖21-7所示：(1) 要抛光的晶圓表面，(2)拋光墊(pad)，(3)拋光液(slurry)(提供化學及機械兩種作用)。CMP時晶圓朝下，在晶圓表面與拋光墊之間加入拋光液，拋光液滲透至拋光墊表面，持續移動晶圓使其表面與拋光墊摩擦，移動方式有三種：載台旋轉時晶圓相對旋轉，載台旋轉時晶圓軌道式旋轉，載曾台旅轉時晶圓線性移動。
拋光液中具有研磨作用的微粒使晶圓表面產生機械損傷，這有利於拋光液與其進行化學反應，或使晶圓表面疏鬆破裂溶解於抛光液中而被化學反應清除掉。因為大部分的化學反應是均向性，所以CMP工藝須特別講究，對表面突出部分要有更快的拋光速率，以達到平坦化的效果。如果只單獨採用機械方式拋光，理論上也可達到平坦化的需求，但會造成材料表面大量的機械損傷。
🔼圖21-7 化學機械拋光設備的示意圖