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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。
4-2
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，通常可以找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
4-3
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
4-4
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。
4-5 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。
4-6 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)
4-7 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，便是結合(1)物理性的離子轟擊與(2)化學反應的蝕刻。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，以使被蝕刻表面能再與蝕刻氣體接觸。而非等向性蝕刻的達成，則是靠再沈積的產
物或聚合物，沈積在蝕刻圖形上，在表面的沈積物可為離子打掉，故蝕刻可繼續進行，而在側壁上的沈積物，因未受離子轟擊而保留下來，阻隔了蝕刻表面與反應氣
體的接觸，使得側壁不受蝕刻，而獲得非等向性蝕刻。如圖（九）所示
應用乾式蝕刻主要須注意蝕刻速率，均勻度、選擇比、及蝕刻輪廓等。蝕刻
速率越快，則設備產能越快，有助於降低成本及提升競爭力。蝕刻速率通常可藉由氣體種類、流量、電漿源及偏壓功率所控制，在其他因素尚可接受的條件下，越快
越好。均勻度是晶片上不同位置的蝕刻率差異的一個指標，較佳的均勻度意謂著晶圓將有較佳的良率(Yield)，尤其當晶圓從3吋、4吋、一直到12吋，面
積越大，均勻度的控制就顯的更加重要。選擇比是蝕刻材料的蝕刻速率對遮罩或底層蝕刻速率的比值，控制選擇比通常與氣體種類與比例、電漿或偏壓功率、甚至反
應溫度均有關係。至於蝕刻輪廓一般而言愈接近九十度越佳，除了少數特例，如接觸窗或介層洞(Contact Window and Via
Hole)，為了使後續金屬濺鍍能有較佳的階梯覆蓋能力(Step
Coverage)，而故意使其蝕刻輪廓小於九十度。通常控制蝕刻輪廓可從氣體種類、比例、及偏壓功率來進行。
圖（九） 非等向性蝕刻示意圖
電漿離子的
濃度和能量是決定蝕刻速率的兩大要素，為了增加離子的濃度，在乾式蝕刻系統設計了兩種輔助設備：(1)電子迴轉加速器(Electron
Cyclotron)，(2)磁圈(Magnet
Coil)。前者是利用2.54GHz的微波來增加電子與氣體分子的碰撞機率；而後者則是在真空腔旁加入一個與二次電子運動方向垂直的磁場，使得電子以螺
旋狀的行徑來增加與氣體分子的碰撞機率。
4-7 磁場強化反應性離子蝕刻 (Magnetic Enhanced RIE
簡稱MERIE)
MERIE是在傳統的RIE中，加上永久磁鐵或線圈，產生與晶片平行的磁場，而此磁場與電場垂直，因為自生電壓(Self
Bias)垂直於晶片。電子在此磁場下，將以螺旋方式移動，如此一來，將會減少電子撞擊腔壁，並增加電子與離子碰撞的機會，而產生較高密度的電漿，然而因
為磁場的存在，將使離子與電子偏折方向不同而分離，造成不均勻及天線效應的發生。因此，磁場常設計為旋轉磁場。MERIE的操作壓力，與RIE相似，約在
0.01~1Torr之間，當蝕刻尺寸小於0.５μm以下時，須以較低的氣體壓力以提供離子較長的自由路徑，確保蝕刻的垂直度，因氣體壓力較低，電漿密度
也隨著降低，因而蝕刻效率較差。所以較不適合用於小於0.5μm以下的蝕刻。
圖（十） 磁場強化RIE(MERIE)示意圖
4-8
電子迴旋共振式離子反應電漿蝕刻 (Electron Cyclotron Resonance Plasma Etching 簡稱ECR
Plasma Etching)
ECR利用微波及外加磁場來產生高密度電漿。電子迴旋頻率可以下列方程式表示：
ωe=Ve/r
(1)
其中Ve是電子速度，r是電子迴旋半徑。另外電子迴旋是靠勞倫茲力所達成，亦即
F=eVeB=MeVe2/r (2)
其
中，e是電子電荷，Me荷為電子質量，B是外加磁場；可得
r=MeVe/eB
(3)
將(3)代入(1)可得電子迴旋頻率
ωe=eB/Me
當
此頻率ωe等於所加的微波頻率時，外加電場與電子能量，發生共振耦合，因而產生高的密度電漿。
ECR的設備如圖（十一）所示，共有二個腔，一個是電漿產生腔，另一個是擴散腔。微波藉由微波導管，穿越石英或氧化鋁做成的窗進入電漿產生腔中，另外磁場
隨著與磁場線圈距離增大而縮小，電子便隨著此不同的磁場變化而向晶片移動，正離子則是靠濃度不同而向晶片擴散，通常在晶片上也會施加一個RF或直流偏壓，
用來加速離子，提供離子撞擊晶片的能量，藉此達到非等向性蝕刻的效果。
圖（十一） 電子迴旋共振電漿蝕刻示意圖
4-9
未來展望
當元件越做越小，(<0.18μm)，而晶圓尺寸愈來越大(>8吋)，蝕刻選擇率與均勻度就變得很重要。傳統
RIE因為操作壓力高，無法達到垂直側壁蝕刻，以及在大尺寸晶圓上不易維持良好的均勻度，將不再適用，取而代之的是高電漿密度電漿系統。這類電漿系統不但
能在極低壓下產生高密度電漿，並且能分別控制電漿密度與離子能量，減少離子轟擊損壞，在大尺寸晶圓上亦能保持良好的均勻性，提高生產良率。另外因為尺寸縮
小，使得蝕刻圖形高的高寬比(Aspect
Ratio)增加，再加上光阻的厚度將使得蝕刻更加困難，例如0.25μm寬的鋁線，厚度大約0.5μm，而光阻厚約原0.5~1μm，整個高寬比將高達
4~6，因此使用除了光阻以外的材料來作為遮罩，或稱為硬遮罩(Hard
Mask)來改善。另外，圖形間距越小或氧化層接觸窗的面積越小，蝕刻系統中的反應物或帶能量的離子無法到達接觸底部，或者反應的產物無法順利排出接觸窗
外，使得蝕刻速率降低。面積越小，此現象越嚴重，亦即所謂的微負載效應(Micro loading
Effect)。除此之外，如何減少電漿電荷導致損壞，使用淨電吸附夾具，使用多腔設計系統，均是未來蝕刻機趨勢。多腔設計可以避免相互污染，並增進生產
速率。使用靜電吸附夾具可以降低粒子污染，增進晶片冷卻效率，而減少電漿導致損壞可使製程上的設計變得更單純，並提高元件的可靠度。
Reference
(1) 半導體製程技術 文京圖書公司 張景學
(2) 積體電路製程技術 五南圖書公司 李世鴻
(3)
工業技術人才培訓計劃講義 VLSI製程概論 成功大學 電機系
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工研院機械工業研究所
(5) Fundamentals of MICRO FABRICATION Marc Madou
(6)
Micro System Technology and Micro robotics S.Fatikow
U.Remboed 高立圖書公司
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