課程簡介
1. 蝕刻(Etching)是什麼? 1.1 蝕刻是將材料利用化學反應或物理撞擊作用方式移除的技術。
2. 依其反應方式可分為濕蝕刻(Wet Etching)與乾蝕刻(Dry Etching) 。 2.1 『濕蝕刻』利用化學溶液，經由化學反應達到蝕刻的目的。通常可藉由選擇特定蝕 刻劑(Etchant) 來達成對於特定材料選擇性。濕蝕刻反應為等向性蝕刻(Isotropic Etching)。 2.2 『乾蝕刻』利用氣體分子或其產生的離子及自由基等氣體電漿物質，對於材料進行 物理式撞擊濺蝕或化學反應，來移除材料所需蝕刻的部分。而被蝕刻的物質變成 揮發性的氣體，經由抽氣系統抽離。通常乾蝕刻製程為非等向性蝕(Anisotropic Etching)。
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1. 通常在濕蝕刻反應中，最常使用來酸性蝕刻的化學溶液為HF(氫氟酸)與HNO3(硝酸) 2. HF/HNO3組成的蝕刻反應為等向性蝕刻，化學反應如下:
(1) NO2 formation(HNO2 in trace amount in HNO3) HNO2 + HNO3 → 2NO2 + H2O
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1. 通常在濕蝕刻反應中，另外使用來蝕刻矽材的鹼性化學溶液為NaOH或KOH，此蝕刻 反應為非等向性蝕刻，化學反應如下: Si + 2OH- → Si(OH)22+ + 2eSi(OH)22+ + 2OH- → Si(OH)4 + 2e4H2O + 4e- → 4OH- + 2H2 Si(OH)4 → SiO2(OH)22- + 2H+ 2H+ + 2OH- → 2H2O Overall Reaction ： Si + 2OH- + 2H2O → SiO2(OH)22- + 2H2
2. 鹼性蝕刻主要是利用氫氧根離子(OH-)來與矽原子裸露的懸空鍵(dangling bond)進行反 應，而以(100)晶面來看，每個矽原子有兩個懸空鍵可與氫氧根離子而結合。相對而言 (111)晶面，每個矽原子只有一個懸空鍵可與氫氧根離子而結合，而其餘為共價鍵。故 因此造成蝕刻速率有差異而出現非等向性蝕刻結果。
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濕蝕刻，利用化學溶液方式
乾蝕刻，利用離子轟擊方式
學習重點
一、濕蝕刻製程 二、蝕刻參數 三、矽蝕刻 四、蝕刻液組成 五、Filament & Bridge 蝕刻處理 六、課後問題
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濕蝕刻製程
1. 濕蝕刻反應機制: (1) 反應物擴散至邊界層→與材料進行反應→生成物擴散出邊界層(boundary layer) (2) 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。
2. 濕蝕刻製程: 將材料浸沒於適當的化學溶液中，或將化學溶液噴灑至材料上，經由溶液與被蝕刻物 間的化學反應來移除材料表層的原子。
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附圖_以濕蝕刻之蝕刻溶液（即反應物）與薄膜所進行的反應機制
無論乾蝕刻或濕蝕刻製程中，皆須針對反應速率或製程時間進行量化控制， 以下幾點參數可作為參考： 1. 蝕刻率(Etch rate):通常蝕刻前後膜厚差異與蝕刻時間的比值
(2) Oxidation of Silicon by NO2 2NO2 + Si → Si2+ +2NO2-
(3) Formation of SiO2 Si2+ + 2(OH)- → SiO2 +H2
(4) Dissolution of SiO2 SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O
R = (蝕刻前後膜厚差值)/蝕刻時間 (R:Etch rate)
2. 選擇比(Selectivity):主要為相同蝕刻劑對於不同材質的蝕刻率比較 S = EA/EB (S:Selectivity EA:對於A物質的蝕刻率 EB:對於B物質的蝕刻率)
3. 蝕刻均勻性(Etch Uniformity):依據同一反應物於不同位置的蝕刻速率均勻性 U = (Rhigh –R low)/ (Rhigh + R low) (U:Etch Uniformity Rhigh:最高反應速率 Rlow:最低反應速率)
(5) Overall Reaction 3Si + 4HNO3 + 18HF → 3H2SiF6 + 4NO + 8H20
3. 矽蝕刻主要包含Silicon Oxidation 以及 Dissolution，HNO3 扮演將Silicon 氧化的角色， 而HF 則扮演將SiO2 溶解的角色。無論是單晶矽或多晶矽蝕刻中，HF/HNO3組成混酸 是必要的。
Dash Etch Sirtle Etch Alkali Etch KOH-H2O
組成比例
HF:HNO3 = 1:4 HF:HNO3:CH3COOH = 1:4:3
HF:HNO3:CH3COOH:I2 = 1:3:2:0.01
HF:HNO3: CH3OOH = 1:3:12 H2O:HF:CrO3 = 1:0.4:0.2 10 - 40% NaOH KOH: :H2O = 3:1
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矽蝕刻(Silicon Etching)
以下為酸性蝕刻液跟鹼性蝕刻液針對矽基材蝕刻後的表面現象
附圖_HF/HNO3 蝕刻後表面粗糙度 Confidential
附圖_KOH在(100)矽基材蝕刻後現象
蝕刻液組成
針對可依製程需求選擇適當的化學蝕刻液來進行蝕刻
化溶液系統
HF-HNO3 HF-HNO3-CH3COOH HF-HNO3-CH3COOH-I2
附圖_化學蝕刻液組成與特性
製程特性
Isotropic
Isotropic
Isotropic Anisotropic—reveal crystal
defect Anisotropic—reveal crystal
defect Anisotropic
Anisotropic
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