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- 錞灸 赖
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1 中 華 大 學 碩 士 論 文 題 目 : 以 SF 6 /O 2 /Ar 感 應 偶 合 電 漿 蝕 刻 碳 化 矽 材 料 SF 6 /O 2 /Ar Inductively Coupled Plasma Etching of SiC 系 所 別 : 機 械 與 航 太 工 程 研 究 所 學 號 姓 名 :M 黃 書 瑋 指 導 教 授 : 馬 廣 仁 教 授 共 同 指 導 教 授 : 簡 錫 新 教 授 中 華 民 國 九 十 六 年 七 月
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5 摘 要 隨 著 科 技 商 品 輕 量 化 與 小 型 化 的 發 產 趨 勢, 對 於 量 產 微 型 零 件 而 言, 成 本 低 廉 與 高 精 密 度 的 微 型 模 具 製 造 技 術 是 非 常 重 要 的 對 於 高 工 作 溫 度 的 微 型 模 具 而 言, 最 重 要 的 條 件 包 括 高 溫 強 度 韌 性 低 熱 膨 脹 係 數 及 抗 沾 黏 特 性 等, 碳 化 矽 (SiC) 為 製 作 微 型 模 具 之 理 想 材 料 SiC 材 料 很 難 以 傳 統 加 工 方 式 製 作 出 奈 微 米 圖 案 本 研 究 的 主 要 目 地 是 利 用 SF 6 O 2 Ar 三 種 氣 體 混 合, 並 且 在 SiC 上 蝕 刻 出 微 米 結 構, 探 討 氣 體 混 合 比 例 與 製 程 時 間 對 蝕 刻 產 生 之 表 面 形 貌 及 表 面 粗 糙 度 之 影 響 結 果 顯 示,Ar 的 加 入 可 有 效 使 F O 自 由 基 與 SiC 之 間 化 學 反 應 效 果 加 強, 也 有 利 於 蝕 刻 速 度 在 電 漿 的 作 用 下 F 離 子 與 真 空 腔 體 壁 上 蝕 出 的 Al, 生 成 一 層 Al-F 化 合 物 薄 膜 沉 積 在 蝕 刻 凹 坑 內, 此 薄 膜 明 顯 主 導 SiC 蝕 刻 機 制, 以 SF 6 O 2 混 合 比 例 4:1 進 行 蝕 刻 可 達 到 表 面 粗 糙 度 0.37 nm Ar 的 加 入 除 了 可 增 強 蝕 刻 速 率 外, 表 面 粗 糙 度 也 降 低 至 0.27 nm 當 SF 6 /O 2 /Ar 分 別 以 10.5/2.6/6.9 sccm 混 合, 經 過 90 分 鐘 的 電 漿 蝕 刻 可 得 侵 蝕 深 度 為 nm 關 鍵 字 : 微 型 模 具 電 漿 蝕 刻 SF 6 O 2 反 應 氣 體 I
6 Abstract Light weight and small size have become the trend of technology development for many commercialized products. For the mass production of micro-components, it is essential to develop micro-mold fabrication technologies with high precision and lower cost. For micro-molds at elevated temperatures, the most important requirements include high temperature strength, toughness, low thermal expansion coefficient and anti-stick properties. SiC is one of the candidate materials for the fabrication of micro-molds. It is difficult to produce micro/nano-pattern on SiC material by traditional machining process. The aim of this research is to fabricate micro-pattern on SiC material by plasma etching process using SF 6, O 2 and Ar as the reactive gas. The effects of gas flow ratio and processing duration on the surface morphology and roughness of etched pattern are investigated. The results show that the addition of Ar effectively enhances the chemical reaction of F O radical with SiC material, which favors the etching rate. Al-F based film was found to be formed on the etched surface because the F ions interact with Al ions releasing from the chamber wall, which dominates the etching mechanisms of SiC. Surface roughness of Ra 0.37 nm can be obtained after a 30-minute plasma treatment with the SF 6 /O 2 ratio of 4:1. The etching rate was enhanced and the surface roughness was further improved to Ra 0.27 nm by introducing Ar into reaction gas. The etching depth of nm can be achieved after a 90-minute plasma etching treatment with the SF 6 /O 2 /Ar gas flow rate of 10.5/2.6/6.9 sccm. Keywords: Micro-mold, Plasma Etching, SF 6, O2, Reaction Gas II
7 誌 謝 首 先 感 謝 在 兩 年 研 究 歷 程 中, 於 馬 廣 仁 博 士 及 簡 錫 新 博 士 的 悉 心 教 導 下, 獲 得 充 實 的 專 業 知 識 與 無 限 寶 貴 的 經 驗, 老 師 們 的 諄 諄 教 誨 我 謹 記 於 心, 於 此, 將 致 上 我 最 誠 摯 的 感 謝 與 敬 意 口 試 期 間 承 蒙 考 試 委 員 淡 江 大 學 趙 崇 禮 博 士 醒 吾 技 術 學 院 陳 大 同 博 士 與 中 正 理 工 劉 道 恕 博 士, 不 吝 給 予 指 導 與 建 議, 更 使 本 論 文 臻 至 理 想 感 謝 中 華 大 學 陳 俊 宏 老 師 與 許 隆 結 老 師, 不 時 給 與 叮 嚀 及 指 導, 實 驗 室 學 長 雲 鵬 泓 均 志 曄 文 豪 建 煌 文 斌 雄 程 信 偉 與 信 富, 同 學 彥 明 柏 民 奎 稷 及 學 弟 均 泓 錦 坤 元 魁 和 政 學 妹 易 穎 一 路 上 的 幫 忙 與 陪 伴, 讓 我 的 研 究 生 生 活 增 添 不 少 樂 趣, 讓 我 在 時 而 煩 悶 與 嚴 謹 的 研 究 生 活 中, 擁 有 一 段 愉 快 的 回 憶 最 後, 我 要 感 謝 的 是 父 親 母 親 弟 弟 書 華 與 女 友 鈺 翎, 有 你 們 的 無 私 付 出 與 無 限 支 持 我 才 可 無 憂 的 繼 續 學 業 並 完 成 研 究, 謹 以 此 文 獻 給 你 們 與 在 求 學 路 途 上 幫 助 我 的 每 一 位 老 師 朋 友, 希 望 你 們 永 遠 健 康 快 樂 III
8 目 錄 中 文 摘 要 I 英 文 摘 要 II 致 謝 III 目 錄 IV 表 目 錄 VII 圖 目 錄 VIII 第 一 章 : 前 言 第 二 章 : 文 獻 回 顧 : 微 模 具 之 應 用 : 碳 化 矽 (SiC) 材 料 特 性 : 碳 化 矽 (SiC) 材 料 發 展 史 : 碳 化 矽 (SiC) 材 料 之 特 性 : 碳 化 矽 (SiC) 材 料 之 應 用 : 電 漿 之 原 理 及 應 用 : 電 漿 之 生 成 與 分 類 : 電 漿 之 基 本 特 性 : 電 漿 之 應 用 : 蝕 刻 特 性 之 比 較 IV
9 2-5: 碳 化 矽 (SiC) 材 料 蝕 刻 特 性 : 濕 式 蝕 刻 : 乾 式 蝕 刻 第 三 章 : 實 驗 方 法 : 實 驗 流 程 : 實 驗 設 備 : 電 漿 系 統 (Plasma System) : 流 量 控 制 系 統 : 試 片 前 處 理 : 檢 測 儀 器 設 備 : 實 驗 步 驟 第 四 章 : 結 果 與 討 論 : 不 同 氣 體 比 例 對 SiC 材 料 蝕 刻 之 影 響 :SF 6 與 O 2 混 合 比 例 對 SiC 蝕 刻 表 面 形 貌 之 影 響 :SF 6 與 O 2 混 合 比 例 對 SiC 蝕 刻 深 度 與 表 面 粗 糙 度 之 影 響 : 添 加 氬 (Ar) 對 SiC 之 影 響 : 添 加 氬 (Ar) 對 SiC 蝕 刻 產 生 表 面 形 貌 之 影 響 : 添 加 Ar 對 SiC 電 漿 蝕 刻 生 成 物 之 影 響 : 添 加 氬 (Ar) 對 SiC 蝕 刻 產 生 深 度 與 表 面 粗 糙 度 之 影 響 V
10 4-2-4 : 製 程 時 間 對 SiC 蝕 刻 表 面 形 貌 之 影 響 : 製 程 時 間 對 SiC 蝕 刻 深 度 及 表 面 粗 糙 度 之 影 響 第 五 章 : 結 論 第 六 章 : 未 來 展 望 第 七 章 : 參 考 文 獻 VI
11 表 目 錄 表 2.1 陶 瓷 材 料 之 特 性 表 2.2 陶 瓷 材 料 之 高 熱 傳 導 率 特 性 表 2.3 Si 與 SiC 及 其 他 材 料 之 特 性 比 較 表 2.4 SiC 材 料 特 性 表 2.5 c/a 比 例 不 同 的 SiC 所 組 成 的 型 態 表 2.6 等 溫 電 漿 與 低 溫 電 漿 之 基 本 特 性 表 2.7 電 漿 依 照 能 量 的 不 同 在 工 業 上 的 應 用 表 2.8 利 用 CF 4 蝕 刻 碳 化 矽 VII
12 圖 目 錄 圖 2.1 碳 化 矽 的 應 用 在 無 線 電 接 收 機 上 圖 2.2 SiC 及 Si 功 能 比 較 圖 2.3 碳 化 矽 單 體 由 矽 元 素 和 碳 元 素 構 成 圖 2.4 隨 晶 格 排 列 的 不 同 而 得 不 同 型 態 之 碳 化 矽 結 構 圖 2.5 SiC 應 用 在 許 多 的 工 業 圖 2.6 產 生 電 漿 的 電 壓 與 電 流 I-V 關 係 圖 2.7 不 同 壓 力 的 電 子 溫 度 及 氣 體 溫 度 的 改 變 圖 2.8 電 漿 接 枝 (Plasma Grafting) 圖 2.9 電 漿 鍍 膜 (Plasma Coating) 圖 2.10 電 漿 濺 鍍 (Plasma Sputtering) 圖 2.11 電 漿 蝕 刻 (Plasma Etching) 圖 2.12 濕 式 蝕 刻 產 生 之 底 切 現 象 圖 2.13 非 等 方 向 性 蝕 刻 圖 2.14 電 子 迴 旋 共 振 反 應 器 圖 2.15 感 應 偶 合 式 電 漿 反 應 器 圖 2.16 R. Yakimova 等 人 以 氫 氧 化 鉀 蝕 刻 碳 化 矽 材 料 圖 2.17 利 用 HF 蝕 刻 碳 化 矽 圖 2.18 在 O 2 中 添 加 NF 3 來 增 加 蝕 刻 速 率 圖 2.19 在 SF 6 中 添 加 氧 氣 含 量 可 增 加 其 蝕 刻 之 深 寬 比 圖 2.20 添 加 氬 氣 保 護 碳 化 矽 材 料 避 免 過 度 蝕 刻 而 破 壞 圖 2.21 利 用 HBr 及 HCl 蝕 刻 SiC VIII
13 圖 2.22 以 SF 6 蝕 刻 (a)10 (b)15 (c)30 分 鐘 後 之 表 面 形 貌 圖 3.1 RF 電 漿 蝕 刻 機 台 圖 3.2 MKS600 壓 力 控 制 器 (Pressure Controller) 圖 3.3 機 械 式 幫 浦 (Mechanical Pump) 圖 3.4 Brooks-5850E SF 6 流 量 計 圖 3.5 Arenatec RP-104T 流 量 控 制 器 圖 3.6 Model 900 之 無 段 變 速 研 磨 拋 光 機 圖 3.7 鑽 石 切 割 機 (Precision Cutting Machine) 圖 3.8 超 音 波 震 洗 機 圖 3.9 SEM(Scanning Electron Microscope)S 圖 3.10 能 量 散 佈 分 析 儀 (Energy Dispersive Spectrometer) 圖 3.11 Plasus Emicon 電 漿 光 譜 分 析 儀 圖 4.1 未 經 加 工 之 碳 化 矽 表 面 形 貌 圖 4.2 未 經 處 理 的 SiC 試 片 之 EDX 成 分 分 析 圖 4.3 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 1:4 蝕 刻 半 小 時 後 之 表 面 形 貌 圖 4.4 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 1:4 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 圖 4.5 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 1:4 蝕 刻 半 小 時 之 EDX 成 分 分 析 --50 圖 4.6 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 2:3 蝕 刻 半 小 時 後 之 表 面 形 貌 圖 4.7 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 2:3 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 IX
14 圖 4.8 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 3:2 蝕 刻 半 小 時 後 之 表 面 形 貌 圖 4.9 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 3:2 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 圖 4.10 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 4:1 蝕 刻 半 小 時 後 之 表 面 形 貌 圖 4.11 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 4:1 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 圖 4.12 薄 膜 Al/F 比 例 與 SF 6 與 O 2 混 合 比 例 關 係 圖 圖 4.13 SiC 經 SF 6 O 2 比 例 1:4 蝕 刻 後 之 白 光 干 涉 檢 測 結 果 圖 4.14 SiC 經 SF 6 O 2 比 例 2:3 蝕 刻 後 之 白 光 干 涉 檢 測 結 果 圖 4.15 SiC 經 SF 6 O 2 比 例 3:2 蝕 刻 後 之 白 光 干 涉 檢 測 結 果 圖 4.16 SiC 經 SF 6 O 2 比 例 4:1 蝕 刻 後 之 白 光 干 涉 檢 測 結 果 圖 4.17 蝕 刻 深 度 與 SF 6 O 2 比 例 之 關 係 圖 圖 4.18 表 面 粗 糙 度 與 SF 6 O 2 比 例 關 係 圖 圖 4.19 SiC 經 電 漿 蝕 刻 後 之 表 面 形 貌 (Ar:16.2 sccm SF 6 :3 sccm O 2 :0.8 sccm) 圖 4.20 SiC 經 電 漿 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 (Ar:16.2 sccm SF 6 :3 sccm O 2 :0.8 sccm) 圖 4.21 SiC 經 電 漿 蝕 刻 後 之 EDX 成 分 分 析 (Ar:16.2 sccm SF 6 :3 sccm O 2 :0.8 sccm) X
15 圖 4.22 SiC 經 電 漿 蝕 刻 後 之 表 面 形 貌 (Ar:14.3 sccm SF 6 :4.5 sccm O 2 :1.2 sccm) 圖 4.23 SiC 經 電 漿 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 (Ar:14.3 sccm SF 6 :4.5 sccm O 2 :1.2 sccm) 圖 4.24 SiC 經 電 漿 蝕 刻 後 之 表 面 形 貌 (Ar:12.4 sccm SF 6 :6 sccm O 2 :1.6 sccm) 圖 4.25 SiC 經 電 漿 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 (Ar:12.4 sccm SF 6 :6 sccm O 2 :1.6 sccm) 圖 4.26 SiC 經 電 漿 蝕 刻 後 之 表 面 形 貌 (Ar:10.7 sccm SF 6 :7.5 sccm O 2 :1.8 sccm) 圖 4.27 SiC 經 電 漿 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 (Ar:10.7 sccm SF 6 :7.5 sccm O 2 :1.8 sccm) 圖 4.28 SiC 經 電 漿 蝕 刻 後 之 表 面 形 貌 (Ar:8.8 sccm SF 6 :9 sccm O 2 :2.2 sccm) 圖 4.29 SiC 經 電 漿 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 (Ar:8.8 sccm SF 6 :9 sccm O 2 :2.2 sccm) 圖 4.30 SiC 經 電 漿 蝕 刻 後 之 表 面 形 貌 (Ar:6.9 sccm SF 6 :10.5 sccm O 2 :2.6 sccm) 圖 4.31 SiC 經 電 漿 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 (Ar:6.9 XI
16 sccm SF 6 :10.5 sccm O 2 :2.6 sccm) 圖 4.32 SiC 經 電 漿 蝕 刻 後 之 表 面 形 貌 (Ar:5 sccm SF 6 :12 sccm O 2 :3 sccm) 圖 4.33 SiC 經 電 漿 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 (Ar:5 sccm SF 6 :12 sccm O 2 :3 sccm) 圖 4.34 薄 膜 Al/F 比 例 與 加 入 Ar 比 例 關 係 圖 圖 4.35 加 入 Ar 比 例 25% 的 蝕 刻 過 程 所 得 之 電 漿 光 譜 圖 4.36 Ar 加 入 比 例 與 含 C 產 物 光 譜 強 度 之 關 係 圖 4.37 Ar 加 入 比 例 與 含 Si 產 物 光 譜 強 度 之 關 係 圖 4.38 Ar 加 入 比 例 與 含 Al 產 物 光 譜 強 度 之 關 係 圖 4.39 電 漿 蝕 刻 後 之 白 光 干 涉 表 面 分 析 3D 圖 (Ar:16.2 sccm SF 6 : 3 sccm O 2 :0.8 sccm) 圖 4.40 電 漿 蝕 刻 後 之 白 光 干 涉 表 面 分 析 3D 圖 (Ar:14.3 sccm SF 6 : 4.5 sccm O 2 :1.2 sccm) 圖 4.41 電 漿 蝕 刻 後 之 白 光 干 涉 表 面 分 析 3D 圖 (Ar:12.4 sccm SF 6 : 6 sccm O 2 :1.6 sccm) 圖 4.42 電 漿 蝕 刻 後 之 白 光 干 涉 表 面 分 析 3D 圖 (Ar:10.7 sccm SF 6 : 7.5 sccm O 2 :1.8 sccm) 圖 4.43 電 漿 蝕 刻 後 之 白 光 干 涉 表 面 分 析 3D 圖 (Ar:8.8 sccm SF 6 : XII
17 9 sccm O 2 :2.2 sccm) 圖 4.44 電 漿 蝕 刻 後 之 白 光 干 涉 表 面 分 析 3D 圖 (Ar:6.9 sccm SF 6 : 10.5 sccm O 2 :2.6 sccm) 圖 4.45 電 漿 蝕 刻 後 之 白 光 干 涉 表 面 分 析 3D 圖 (Ar:5 sccm SF 6 : 12 sccm O 2 :3 sccm) 圖 4.46 添 加 Ar 對 蝕 刻 深 度 之 影 響 圖 4.47 添 加 Ar 對 表 面 粗 糙 度 之 影 響 圖 4.48 SiC 蝕 刻 10 分 鐘 所 得 表 面 圖 4.49 SiC 蝕 刻 10 分 鐘 經 EDX 進 行 表 面 成 分 分 析 圖 4.50 SiC 蝕 刻 30 分 鐘 所 得 表 面 圖 4.51 SiC 蝕 刻 60 分 鐘 所 得 表 面 圖 4.52 SiC 蝕 刻 90 分 鐘 所 得 表 面 圖 4.53 製 程 時 間 對 薄 膜 Al/F 比 例 之 影 響 圖 4.54 白 光 干 涉 測 定 以 電 漿 蝕 刻 10 分 鐘 後 的 SiC 表 面 圖 4.55 白 光 干 涉 測 定 以 電 漿 蝕 刻 30 分 鐘 後 的 SiC 表 面 圖 4.56 白 光 干 涉 測 定 以 電 漿 蝕 刻 60 分 鐘 後 的 SiC 表 面 圖 4.57 白 光 干 涉 測 定 以 電 漿 蝕 刻 90 分 鐘 後 的 SiC 表 面 圖 4.58 製 程 時 間 對 蝕 刻 深 度 之 影 響 圖 4.59 製 程 時 間 對 表 面 粗 糙 度 之 影 響 XIII
18 第 一 章 前 言 近 幾 年 來 由 於 科 技 迅 速 進 步, 消 費 者 對 於 許 多 產 品 的 要 求 趨 於 輕 薄 短 小, 相 對 於 製 造 或 加 工 業 者 在 模 具 或 加 工 設 備 上 的 選 擇 與 需 求 變 的 更 加 嚴 苛 由 於 許 多 工 業 開 始 進 入 微 奈 米 製 程 技 術, 其 所 要 求 的 加 工 精 度 更 趨 微 小, 傳 統 的 機 械 設 備 與 模 具 已 不 敷 需 求, 因 此 微 型 模 具 漸 漸 受 到 重 視, 其 尺 寸 也 因 需 求 有 所 改 變 ; 例 如 : 就 半 導 體 產 業 而 論, 其 零 組 件 尺 寸 趨 於 奈 米 尺 度 ; 以 精 密 機 械 加 工 而 言, 微 模 具 的 精 度 要 求 也 從 數 個 次 奈 米 直 到 數 微 米 不 等 [1] 在 微 型 模 具 的 製 造 不 只 是 精 度 上 的 要 求, 模 具 材 料 對 於 溫 度 的 穩 定 性 也 相 當 重 要, 如 : 高 溫 下 的 機 械 強 度 化 學 穩 定 性 耐 磨 耗 及 抗 沾 黏 等 ; 其 中 精 密 陶 瓷 材 料 在 高 溫 下 的 穩 定 性 較 佳, 能 滿 足 微 型 模 具 在 高 溫 下 應 用 的 需 求, 以 玻 璃 模 造 用 的 微 型 模 具 而 言, 模 具 材 料 的 選 用 漸 漸 偏 向 使 用 高 緻 密 度 極 高 熱 穩 定 性 的 碳 化 矽 (SiC) 及 碳 化 鎢 (WC) 材 料 為 主 [1] 若 以 傳 統 的 加 工 方 式 加 工 陶 瓷 材 料 而 言, 因 材 料 本 身 韌 性 差 且 易 有 應 力 集 中 的 問 題, 並 無 法 有 效 的 進 行 加 工 目 前 對 於 加 工 碳 化 矽 材 料 較 常 使 用 雷 射 切 割 能 量 束 加 工 蝕 刻 等 方 式 ; 雷 射 及 能 量 束 加 工 其 價 格 昂 貴, 不 適 合 應 用 於 量 產 製 程, 故 目 前 對 於 碳 化 矽 這 類 不 易 加 工 的 陶 瓷 材 料 大 多 利 用 蝕 刻 的 方 式 進 行 加 工 [17] 蝕 刻 一 般 可 分 為 濕 1
19 式 蝕 刻 (Wet Etching) 與 乾 式 蝕 刻 (Dry Etching), 濕 式 蝕 刻 是 藉 由 使 用 蝕 刻 液 (Etchant) 與 材 料 本 身 產 生 化 學 反 應 而 達 到 蝕 刻 的 目 的, 其 蝕 刻 速 度 快 且 選 擇 性 高 (Selectivity), 但 容 易 產 生 蝕 刻 表 面 粗 糙 與 底 切 (Undercut) 現 象 而 影 響 加 工 品 質 [37], 且 蝕 刻 完 成 後 廢 液 處 理 困 難, 反 觀 乾 蝕 刻 沒 有 廢 液 處 理 問 題, 且 不 易 產 生 底 切 現 象, 可 蝕 刻 出 高 深 寬 比 結 構, 故 目 前 大 多 使 用 乾 蝕 刻 的 方 式 加 工 碳 化 矽, 但 仍 有 蝕 刻 選 擇 性 (Selectivity) 較 差 且 機 械 設 備 昂 貴 的 缺 點 [38] 本 實 驗 採 用 乾 式 蝕 刻 來 蝕 刻 碳 化 矽, 以 六 氟 化 硫 (SF 6 ) 做 為 反 應 氣 體 進 行 蝕 刻, 相 較 於 其 他 反 應 氣 體 如 :CF 4 NF 3 等, 六 氟 化 硫 可 達 到 明 顯 優 於 其 他 氣 體 的 高 蝕 刻 速 率, 但 其 蝕 刻 後 材 料 表 面 粗 糙 度 並 不 理 想, 實 驗 中 除 了 使 用 SF 6 之 外, 另 加 入 氧 氣 (O 2 ) 及 氬 氣 (Ar), 除 了 能 增 加 蝕 刻 速 率 外, 還 能 降 低 蝕 刻 後 材 料 表 面 粗 糙 度 (Surface Roughness), 對 於 往 後 的 製 程 及 生 產 速 度 有 相 當 大 的 影 響 2
20 第 二 章 文 獻 回 顧 2-1 微 模 具 之 應 用 模 具 是 用 來 量 產 各 種 元 件 的 工 具, 隨 著 輕 薄 短 小 的 科 技 發 展 趨 勢, 對 於 微 小 元 件 製 造 業 者 來 說, 微 模 具 的 精 度 與 壽 命 的 要 求 更 是 與 日 俱 增 所 謂 微 模 具 的 定 義 若 以 超 精 密 加 工 模 具 製 作 技 術 來 討 論, 其 特 徵 尺 寸 可 從 數 十 微 米 到 數 毫 米, 而 模 具 精 度 要 求 為 次 微 米 至 數 微 米 [1]; 但 若 以 微 機 電 系 統 (MEMS, Micro Electro-Mechanical Systems) 或 者 微 奈 米 相 關 的 微 影 製 程 (LIGA, Lithograghie Ga Vanoformung Abformung) 技 術 來 定 義 微 模 具 [2], 則 其 模 具 模 造 出 之 零 件 的 特 徵 尺 寸 可 從 次 微 米 至 數 百 微 米 然 而 模 具 尺 度 也 會 隨 著 市 場 需 求 及 製 程 進 步 持 續 的 微 小 化 以 微 小 元 件 的 複 製 及 成 形 來 分 類 製 作 方 式, 大 致 上 可 分 為 : 微 射 出 成 形 (Micro-Injection) 熱 壓 成 形 (Hot Embossing) 滾 筒 熱 壓 成 形 (Roller Hot Embossing) 紫 外 線 固 化 轉 印 成 形 (UV-Curing Imprinting) 四 種 ; 若 以 微 小 元 件 製 作 材 料 來 區 分 模 具 大 約 可 分 為 製 作 高 分 子 微 小 元 件 與 製 造 玻 璃 微 小 元 件 兩 類 [1] 其 中 的 差 別 在 於 製 作 微 小 元 件 時, 材 料 對 溫 度 之 需 求 製 造 玻 璃 微 小 元 件 需 較 高 的 工 作 溫 度, 因 此 模 具 材 料 的 選 擇 直 接 影 響 了 材 料 的 高 溫 特 性 例 如 : 機 械 強 度 化 學 穩 定 性 耐 磨 耗 特 性 抗 沾 黏 特 性 等 因 此 在 製 作 微 小 玻 璃 元 件 的 微 模 3
21 具 材 料 之 選 擇 上 通 常 選 用 陶 瓷 材 料 (Ceramics) 或 者 具 有 良 好 高 溫 特 性 的 材 料, 如 表 2.1 及 表 2.2[3~5] 表 2.1 陶 瓷 材 料 之 特 性 [3] 材 料 熱 傳 導 係 數 熱 膨 脹 係 數 介 電 常 數 (10MHz) Tanδ (1MHz) Al 2 O 3 (96%) 25 W/m o C / o C BeO 218 W/m o C / o C Glass Ceramic 4.2 W/m o C / o C Mullite <25 W/m o C / o C SiC 270 W/m o C / o C Diamond 60~100 W/m o C / o C AlN 170 W/m o C / o C ~ 10 Si 150 W/m o C / o C
22 表 2.2 陶 瓷 材 料 之 高 熱 傳 導 率 特 性 [4,5] 材 料 結 晶 結 構 熱 傳 導 率 (W/m o C) 平 均 原 子 質 量 備 註 Diamond A 價 格 昂 貴 石 墨 (C 軸 ) A 導 電 BN B3 180~ 不 易 製 造 SiC B3 80~ 半 導 體, 導 電 BeO B4 310~ 不 易 製 造 GaN B 半 導 體, 導 電 GaP B 半 導 體, 導 電 AlP B 半 導 體, 導 電 AlN B4 70~ 易 製 造 Si B A4: 立 方 晶 系 A7: 六 方 晶 系 B3: 立 方 晶 系 B4: 六 方 晶 系 陶 瓷 具 有 相 當 高 的 熔 點 與 硬 度, 且 具 穩 定 的 化 學 性 質, 耐 熱 性 抗 老 化 性 皆 較 金 屬 材 料 佳, 但 陶 瓷 材 料 本 身 內 部 存 在 許 多 裂 痕 空 孔 雜 質 等 缺 陷 結 構, 且 易 碎 與 韌 性 差 的 物 理 特 性, 不 利 於 加 工 而 限 制 了 陶 瓷 材 料 的 應 用 [6], 因 此 在 材 料 選 擇 上 便 轉 向 加 入 不 同 添 加 物 5
23 的 陶 瓷 材 料 ; 但 在 高 溫 時 玻 璃 易 與 陶 瓷 添 加 物 產 生 沾 黏 或 化 學 反 應, 所 以 開 始 利 用 奈 米 陶 瓷 燒 結 技 術 或 以 化 學 氣 相 沉 積 法 製 備 新 一 代 的 陶 瓷 材 料, 以 此 提 高 材 料 之 緻 密 性 與 改 善 陶 瓷 性 能 目 前 碳 化 矽 (SiC) 材 料 是 不 錯 的 選 擇, 如 表 2.3[7], 以 下 將 就 碳 化 矽 之 發 展 及 性 質 做 敘 述 表 2.3 Si 與 SiC 及 其 他 材 料 之 特 性 比 較 [7] 6
24 2-2 碳 化 矽 材 料 特 性 碳 化 矽 材 料 發 展 史 J. J. Berzelius 是 世 界 上 第 一 位 碳 化 矽 發 現 者, 在 1842 年 為 了 合 成 鑽 石 無 意 中 發 現 了 碳 化 矽, 此 時 人 們 對 碳 化 矽 的 各 種 物 理 化 學 特 性 並 不 了 解 1893 年 Acheson 以 電 子 熔 煉 爐 合 成 出 一 含 碳 的 混 合 物 [8], 並 以 研 發 出 的 新 材 料 應 用 於 研 磨 及 拋 光, 並 稱 之 為 Carborundum 且 訂 出 化 學 式 碳 化 矽 [9], 當 時 Acheson 對 碳 化 矽 做 了 許 多 測 試, 發 現 其 擁 有 相 當 高 的 現 硬 度 折 射 率 與 熔 點, 認 為 這 是 相 當 有 潛 力 的 新 材 料, 於 是 成 立 了 Carborundum Company 製 造 碳 化 矽 塊 材, 更 激 起 了 科 學 界 研 究 碳 化 矽 材 料 的 風 潮 [10] 在 自 然 界 中 碳 化 矽 含 量 相 當 稀 少,1905 年 由 Mossian 在 Arizona 的 隕 石 坑 洞 中 發 現 碳 化 矽 [10],Moissan 是 史 上 第 一 位 在 自 然 界 中 發 掘 碳 化 矽 的 學 者, 為 了 紀 念 此 人, 便 將 天 然 的 碳 化 矽 又 命 名 為 Moissanite 1907 年 H. J. Round 使 用 碳 化 矽 製 作 出 史 上 第 一 個 Light Emitting Diode (LED), 藉 輸 入 10 伏 特 (V) 電 壓 在 陰 極 產 生 黃 綠 橘 三 種 顏 色 的 冷 光 [11] 往 後 幾 年, 碳 化 矽 的 檢 測 器 更 被 引 進 市 場 供 無 線 電 接 收 機 使 用, 如 圖 2.1[12] 1955 年 Lely 提 出 一 個 製 備 碳 化 矽 的 新 觀 念, 其 使 用 較 小 的 反 應 腔 體 且 較 Acheson Process 低 的 處 理 溫 度, 成 功 的 成 7
25 長 高 品 質 碳 化 矽 繼 Lely 之 後 更 多 學 者 投 入 碳 化 矽 材 料 的 研 究, 1958 年, 在 Boston 舉 辦 了 針 對 碳 化 矽 材 料 的 史 上 第 一 次 Conference 1978 年 Tairov 與 Tsvetkov 以 Physical Vapor Transport Method, 控 制 碳 化 矽 晶 體 昇 華, 成 功 製 備 出 碳 化 矽 單 晶 [14] 1981 年 Matsunami et. al. 在 矽 基 板 上 長 出 單 晶 碳 化 矽 [15]; 並 在 1989 年, 由 Cree Research 等 人 成 立 了 Cree Research, Inc. 開 始 生 產 銷 售 碳 化 矽 相 關 產 品 [15] 因 為 碳 化 矽 的 物 理 化 學 特 性 佳, 如 表 2.4[16], 可 廣 泛 的 應 用 在 半 導 體 業 上, 故 碳 化 矽 是 半 導 體 界 稱 為 新 一 代 的 半 導 體 材 料 圖 2.1 碳 化 矽 的 應 用 在 無 線 電 接 收 機 上 [11,12,13] 8
26 表 2.4 SiC 材 料 特 性 [16] 碳 化 矽 性 質 溫 度 ( ) 數 值 附 註 比 重, g/cm 3 3.0~3.1 化 學 成 分, % 熱 導 率, W/(m.deg) SiC=92~94 游 離 矽 =6~7 游 離 碳 熱 容, cal/g ~0.20 熱 膨 脹 係 數, deg -1 輻 射 係 數 電 阻, Ω 電 子 功 函 數, ev 最 大 抗 折 強 度, M Pa ~ ~ ~ ~300 波 長 為 0.65 微 米 此 數 值 由 接 觸 電 位 差 及 熱 輻 射 法 所 決 定 最 大 抗 壓 強 度, M Pa ~ ~1000 維 氏 硬 度, M Pa ~32000 彈 性 模 數, M Pa 20 (3.8~40) 真 空 中 之 摩 擦 係 數 ~1650 長 期 工 作 最 高 溫 度 1800~1900 ( C) 2000~2100 由 SiC-SiC 對 摩 擦 面 測 定 在 空 氣 中 在 真 空 中 在 惰 性 氣 體 中 9
27 2-2-2 碳 化 矽 材 料 之 特 性 隨 著 市 場 需 求 及 產 業 發 展, 對 於 元 件 尺 寸 與 精 密 度 的 要 求 也 日 漸 嚴 苛, 積 極 尋 找 新 的 材 料 及 改 善 加 工 方 式 是 達 到 提 升 產 品 性 能 精 密 度 與 壽 命 的 方 法 自 從 矽 (Silicon) 的 發 現 至 今, 許 多 人 力 投 入 矽 材 料 的 研 究 與 發 展, 但 受 限 於 矽 材 料 的 性 能 上 限 而 達 到 瓶 頸, 為 了 突 破 必 須 選 用 新 材 料 來 取 代 ; 碳 化 矽 的 特 性 較 其 他 材 料 佳, 如 表 2.3[7], 於 是 碳 化 矽 特 性 的 研 究 開 始 受 到 重 視, 如 圖 2.2[17] 圖 2.2 SiC 及 Si 功 能 比 較 [17] 碳 化 矽 單 體 為 一 四 面 體 結 構, 以 碳 原 子 為 中 心, 外 圍 包 覆 四 顆 矽 原 子 形 成 一 四 面 體 結 構, 如 圖 2.3[18], 通 常 再 由 六 個 碳 化 矽 單 體 結 合 成 一 六 角 形 結 構 ; 其 中, 碳 原 子 與 矽 原 子 的 間 距 約 為 3.08Å, 因 碳 原 子 位 於 碳 化 矽 分 子 的 質 量 中 心, 所 以 碳 原 子 與 每 顆 矽 原 子 的 距 離 皆 約 為 1.89 Å, 而 兩 矽 平 面 的 距 離 大 約 為 2.52 Å [19] 10
28 圖 2.3 碳 化 矽 單 體 由 矽 元 素 和 碳 元 素 構 成 [18] 每 六 個 碳 化 矽 分 子 組 成 的 六 角 形 碳 化 矽 為 一 個 單 位, 每 單 位 碳 化 矽 的 高 度 為 c, 而 矽 分 子 之 間 距 為 a, 依 照 c/a 的 比 例 不 同 會 形 成 不 同 的 碳 化 矽 同 素 異 構 體 如 表 2.5[20],2H- 4H- 與 6H-SiC 的 c/a 比 例 大 約 為 1.641,3.271 和 4.908, 如 下 圖 2.4[21]; 碳 化 矽 通 常 以 鏈 狀 方 式 堆 疊, 如 :3C-,4H- 與 6H- ; 若 以 第 一 個 堆 疊 層 為 A, 而 下 一 層 的 結 構 可 稱 之 為 B 或 C, 由 A B 和 C 的 不 同 組 合 可 以 排 列 出 不 同 型 態 的 碳 化 矽 [22] 表 2.5 c/a 比 例 不 同 的 SiC 所 組 成 的 型 態 [20] a(nm) c(nm) Stacking Sequence 4H-SiC abcba 6H-SiC abcacba 15R-SiC abcbacbacbcacba 11
29 圖 2.4 隨 晶 格 排 列 的 不 同 而 得 不 同 型 態 之 碳 化 矽 結 構 [21] 碳 化 矽 材 料 之 應 用 碳 化 矽 具 有 高 機 械 強 度 耐 磨 性 高 熱 穩 定 性 高 導 熱 性 高 導 電 與 化 學 穩 定 性 等 特 性, 使 其 可 廣 泛 應 用 於 鋼 鐵 冶 金 非 鐵 系 金 屬 冶 金 化 學 工 業 無 線 電 子 元 件 製 漿 造 紙 等 工 業 領 域 所 需 元 件 [23], 如 圖 2.5[24,25] 圖 2.5 SiC 應 用 在 許 多 的 工 業 [24,25] 12
30 鋼 鐵 冶 金 方 面, 採 礦 場 中 用 來 分 類 礦 石 的 大 型 機 具 可 使 用 碳 化 矽 做 為 耐 磨 錐, 可 提 升 錐 頭 的 使 用 壽 命 本 材 料 也 可 以 拿 來 作 為 車 輛 切 削 工 具 及 高 度 耗 損 機 具 的 摩 擦 墊 片 碳 化 矽 也 可 做 成 的 耐 火 磚 應 用 在 各 式 高 溫 爐 體 內 部 製 漿 造 紙 方 面, 耐 磨 耗 且 堅 固 的 碳 化 矽 材 料 可 以 製 作 造 紙 機 吸 抽 箱 的 打 孔 片, 同 樣 的 可 以 用 來 製 作 粉 碎 紙 漿 的 磨 盤 機 的 磨 刀 化 學 工 業 方 面, 可 以 使 用 碳 化 矽 做 成 的 坩 鍋 儲 存 罐, 隔 絕 並 儲 存 一 些 鹼 金 屬 鹵 素 鹽 類 絕 大 多 數 的 腐 蝕 溶 液 和 有 色 金 屬 的 熔 融 物 碳 化 矽 材 料 也 用 來 作 為 熱 電 偶 的 包 覆 罩, 無 線 電 子 工 業 的 隔 焰 爐 磁 流 體 發 電 機 的 電 極 等 [23] 2-3 電 漿 之 原 理 及 應 用 電 漿 可 簡 單 的 定 義 成 部 份 離 子 化 的 氣 體, 其 組 成 包 括 : 正 負 離 子 電 子 中 性 原 子 中 子 及 自 由 基 等 粒 子 所 組 成 的 電 中 性 集 合 體 ; 也 稱 為 等 離 子 體 [26,27] 因 其 異 於 物 質 三 態 - 固 態 液 態 氣 態, 且 為 較 高 能 量 的 狀 態, 所 以 又 稱 為 物 質 第 四 態 (Fourth State)[28] 在 地 球 表 面 環 境 中, 通 常 不 具 備 產 生 電 漿 的 條 件, 只 有 在 特 定 的 條 件 下 才 能 看 到 自 然 界 中 的 電 漿, 如 閃 電 與 極 光 (Aurora) 但 在 宇 宙 中 的 狀 態 則 與 地 球 截 然 不 同, 宇 宙 中 有 99% 以 上 的 物 質 都 是 電 漿 態, 如 太 陽 本 身 就 是 一 個 高 能 量 的 電 漿 火 球, 而 包 圍 在 太 陽 周 圍 的 日 冕 也 是 電 漿 13
31 態 的 表 現 人 造 電 漿 也 普 遍 的 應 用 在 生 活 當 中, 如 日 光 燈 霓 虹 燈 電 漿 電 視 的 Cell 等 電 漿 之 生 成 與 分 類 生 成 電 漿 最 簡 單 的 方 法 是 對 氣 體 加 熱 使 其 離 子 化, 工 業 上 可 先 將 腔 體 (Chamber) 內 的 壓 力 降 低 後 再 通 入 反 應 氣 體, 利 用 外 加 電 場 或 外 加 磁 場 將 氣 體 解 離, 可 將 氣 體 游 離 為 正 負 離 子 電 子 中 子 氣 體 分 子 及 其 它 粒 子, 即 電 漿 放 電 [28] 其 中 的 電 子 會 受 外 加 電 場 或 磁 場 作 用 獲 得 高 能 量, 具 有 高 動 能 的 電 子 稱 為 高 能 電 子 (Energetic Electron) 高 能 電 子 在 移 動 過 程 中 有 機 會 與 其 它 氣 體 分 子 發 生 碰 撞, 並 發 生 能 量 轉 移, 其 碰 撞 方 式 可 分 為 兩 種 : 彈 性 碰 撞 (Elastic Collision) 與 非 彈 性 碰 撞 (Inelastic Collision) 其 中 彈 性 碰 撞 僅 能 轉 移 很 少 的 能 量 給 氣 體 分 子, 並 無 法 將 氣 體 分 子 解 離 或 游 離 若 發 生 非 彈 性 碰 撞, 則 電 子 本 身 的 能 量 能 完 全 轉 移 為 氣 體 分 子 的 內 能, 若 能 量 足 夠 即 可 將 氣 體 分 子 解 離 (Dissociation) 激 發 (Excitation) 游 離 (Ionization) 或 裂 解 (Fragmentation), 而 形 成 帶 有 離 子 電 子 中 子 及 自 由 基 等 粒 子 的 電 漿 狀 態 在 電 場 或 磁 場 的 作 用 下, 電 子 得 到 高 動 能 會 與 中 性 粒 子 或 器 璧 碰 撞 產 生 更 多 高 能 電 子, 高 能 電 子 繼 續 被 電 場 或 磁 場 加 速 產 生 連 鎖 性 14
32 的 游 離 反 應, 使 游 離 速 度 快 速 增 加 電 子 與 離 子 對 氣 態 及 器 璧 產 生 的 復 合 (Recombination) 率 也 同 時 上 升 當 游 離 率 與 複 合 率 達 到 平 衡 時, 系 統 達 到 一 穩 定 的 電 漿 狀 態 [29] 依 電 壓 和 電 流 的 關 係 可 將 電 漿 區 分 為 三 種 狀 態 : 湯 遜 放 電 (Townsend Region) 正 常 放 電 (Normal Glow Discharge) 與 電 弧 放 電 (Arc Discharge); 圖 2.6[30] 為 電 漿 生 成 時 電 壓 與 電 流 的 關 係, 引 發 電 漿 須 達 到 氣 體 的 臨 界 電 壓, 因 為 氣 體 近 乎 絕 緣 體, 在 這 階 段 電 流 的 變 化 量 極 小, 此 區 段 稱 為 湯 遜 放 電 (Townsend Region), 當 電 壓 超 過 500 伏 特 (V) 後, 氣 體 開 始 崩 潰 解 離 並 產 生 自 由 電 子, 若 電 壓 不 足 自 由 電 子 便 會 消 失 當 電 壓 足 夠 且 超 過 500V 以 上, 此 時 自 由 電 子 會 受 兩 極 間 的 電 場 加 速 向 陽 極 移 動, 移 動 過 程 中 與 氣 體 分 子 碰 撞 產 生 自 由 電 子, 如 此 的 連 鎖 碰 撞 反 應 使 氣 體 崩 潰, 便 可 開 始 觀 察 到 電 漿 的 輝 光 ; 此 時 電 漿 可 視 為 導 體, 電 阻 值 下 降 而 導 致 調 高 電 壓 卻 發 現 電 流 上 升, 電 壓 無 法 調 高, 且 陰 極 區 域 的 電 漿 覆 蓋 面 積 逐 漸 變 大, 產 生 此 現 象 的 區 段 稱 為 正 常 輝 光 放 (Normal Glow Discharge) 當 電 漿 完 全 覆 蓋 陰 極 表 面 時, 若 再 調 高 電 壓, 因 電 漿 的 導 電 度 不 變, 隨 之 提 高 陰 極 表 面 的 二 次 電 子 釋 放 率, 使 電 壓 與 電 流 呈 一 線 性 關 係, 則 此 區 段 稱 為 異 常 輝 光 放 電 (Abnormal Glow Discharge) 若 再 加 高 電 壓, 陰 極 表 面 的 二 次 電 子 釋 放 率 無 法 繼 續 上 升, 電 漿 因 此 消 失, 取 而 代 之 的 是 產 生 電 弧 放 15
33 電 (Arc Discharge), 此 時 在 陰 極 表 面 可 觀 察 到 大 量 弧 點, 這 些 電 弧 都 具 有 相 當 高 的 電 流 密 度, 是 陰 極 表 面 釋 放 大 量 一 次 電 子 並 蒸 發 陰 極 原 子 圖 2.6 產 生 電 漿 的 電 壓 與 電 流 I-V 關 係 [30] 電 漿 在 不 同 的 氣 體 壓 力 下 會 呈 現 不 同 的 性 質, 如 圖 2.7[31], 當 氣 體 壓 力 較 低 時, 碰 撞 頻 率 低, 使 電 子 或 部 分 離 子 累 積 較 高 的 動 能, 此 種 特 性 的 電 漿 稱 之 為 低 壓 電 漿 (Low Pressure Plasma), 因 為 氣 體 溫 度 不 同 於 電 子 溫 度, 所 以 又 稱 為 低 溫 電 漿 (Low Tamperature Plasma) 或 非 平 衡 電 漿 (Non-Equilibrium Plasma) 當 系 統 壓 力 高 時, 氣 體 分 子 與 電 子 具 有 相 近 的 動 能, 此 狀 態 的 電 漿 稱 為 高 壓 電 漿 (High Pressure Plasma), 且 氣 體 溫 度 與 電 子 溫 度 相 近, 故 也 稱 為 等 溫 電 漿 (Isothermal Plasma) 或 平 衡 電 漿 (Equilibrium Plasma) 等 溫 電 漿 與 低 溫 電 漿 的 特 性 整 理 於 表 2.6[29] 16
34 圖 2.7 不 同 壓 力 的 電 子 溫 度 及 氣 體 溫 度 的 改 變 [31] 表 2.6 等 溫 電 漿 與 低 溫 電 漿 之 基 本 特 性 [29] 等 溫 電 漿 低 溫 電 漿 定 義 完 全 解 離 的 氣 體 部 份 解 離 的 氣 體 電 離 程 度 100% 10-4 ~10-1 % 系 統 壓 力 >1 atm 10-4 ~10-1 torr 氣 體 溫 度 >10,000k ~300K( 室 溫 ) 電 子 溫 度 Te=Tg Te/Tg=10~100 氣 體 狀 態 熱 平 衡 電 漿 非 熱 平 衡 電 漿 17
35 2-3-2 電 漿 之 基 本 特 性 固 體 液 體 和 氣 體 是 由 中 性 原 子 組 成, 而 電 漿 是 由 帶 電 的 離 子 和 電 子 組 成, 原 子 不 自 行 產 生 電 場 與 磁 場, 在 電 漿 中 就 不 一 樣, 電 漿 中 的 粒 子 有 自 己 的 電 場, 相 對 運 動 時 會 有 磁 場 變 化, 也 會 受 到 外 來 電 磁 場 的 影 響 兩 個 粒 子 不 需 經 過 接 觸 碰 撞 即 可 因 為 本 身 所 帶 電 荷 或 磁 場 電 場 的 影 響 而 產 生 相 互 作 用 電 磁 場 的 變 化 和 粒 子 運 動 強 烈 交 互 作 用 下, 使 電 漿 具 有 集 體 行 為 即 在 電 漿 中, 雙 體 碰 撞 不 起 主 導 作 用, 粒 子 集 體 行 為 起 決 定 作 用 這 是 電 漿 的 第 一 基 本 特 性 電 漿 具 有 屏 蔽 外 加 電 場 而 保 持 電 中 性 的 能 力 ; 這 是 電 漿 的 第 二 基 本 特 性 若 將 正 負 電 極 平 板 放 入 電 漿 中, 連 接 正 極 和 負 極 的 平 板 將 分 別 吸 引 電 子 和 離 子, 導 致 電 場 只 存 在 於 瀕 臨 平 板 邊 界 數 個 德 拜 屏 蔽 長 度 厚 的 電 漿 鞘 (Plasma Sheath) 內, 在 電 漿 的 其 他 部 分, 平 板 所 產 生 的 電 場 趨 近 於 零 這 種 屏 蔽 效 應 稱 為 德 拜 屏 蔽 (Debye Shielding) 這 種 德 拜 屏 蔽 效 應 也 發 生 於 電 漿 中 電 子 對 於 離 子 電 場 的 屏 蔽 因 德 拜 屏 蔽 效 應 而 保 持 電 中 性 是 電 漿 的 第 二 個 基 本 特 性 只 有 當 電 離 氣 體 系 統 的 尺 度 遠 大 於 德 拜 屏 蔽 長 度, 而 且 屏 蔽 層 內 的 帶 電 粒 子 數 足 夠 時, 系 統 才 會 具 有 電 漿 的 第 二 特 性 當 電 漿 第 二 特 性 成 立 時, 電 漿 粒 子 的 動 能 遠 大 於 雙 體 碰 撞 的 能 量, 此 時 電 磁 場 對 電 漿 粒 子 產 生 最 大 影 響, 使 得 電 漿 具 有 第 一 基 本 特 性 18
36 電 漿 的 第 三 特 性 是 每 個 電 漿 系 統 都 有 一 個 特 有 的 電 漿 頻 率 一 束 電 磁 波 打 到 電 漿 表 面 時, 電 漿 會 將 電 磁 波 頻 率 小 於 電 漿 頻 率 的 電 磁 波 屏 蔽 在 外, 使 該 電 磁 波 無 法 進 入 電 漿 兩 塊 平 板 之 間 施 加 一 交 流 電 壓, 當 平 板 上 的 電 壓 改 變 時, 電 漿 內 的 電 子 會 被 平 板 吸 引 或 排 斥 若 電 磁 波 頻 率 小 於 電 漿 頻 率, 則 電 子 的 反 應 就 跟 得 上 電 壓 的 改 變, 而 將 電 壓 屏 蔽 在 外 在 離 子 化 程 度 低 而 密 度 高 的 電 離 氣 體 中, 粒 子 間 的 平 均 碰 撞 頻 率 大 於 電 漿 頻 率, 則 電 漿 特 性 將 由 粒 子 間 的 碰 撞 決 定 而 非 集 體 效 應 決 定, 這 樣 的 系 統 不 能 稱 為 電 漿 在 電 漿 系 統 中 粒 子 碰 撞 頻 率 小 於 電 漿 頻 率 的 條 件 必 須 被 滿 足 這 是 電 漿 的 第 三 個 基 本 特 性 [26] 電 漿 之 應 用 等 溫 電 漿 應 用 於 電 弧 熔 鍊 (Arc Refinement) 電 漿 融 射 (Plasma Spraying) 及 感 應 偶 合 電 漿 分 光 儀 (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer), 而 低 溫 電 漿 則 使 用 於 濺 鍍 (Sputter) 電 漿 輔 助 物 理 氣 相 沉 積 (Plasma Assisted Physical Vapor Deposition) 和 電 漿 輔 助 化 學 氣 相 沉 積 (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition), 以 下 依 電 漿 能 量 不 同 在 工 業 上 的 應 用 分 類, 如 表 2.7[29] 19
37 表 2.7 電 漿 依 照 能 量 的 不 同 在 工 業 上 的 應 用 [29] 材 料 加 工 製 造 薄 膜 製 造 表 面 處 理 發 電 與 推 進 材 料 分 析 光 源 電 弧 融 鍊 (Arc Refinement) 電 漿 融 射 (Plasma Spraying) 電 漿 蝕 刻 (Plasma Etching) 濺 鍍 (Sputter Deposition) 電 漿 輔 助 物 理 氣 相 沉 積 (Plasma Assisted Physical Vapor Deposition) 電 漿 輔 助 化 學 氣 相 沉 積 (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) 電 漿 氮 化 (Plasma Nitriding) 離 子 佈 植 (Ion Implantation) 磁 流 體 發 電 (Magneto Hydrodynamic Energy Conversion) 核 融 合 發 電 (Nuclear Fusion Power Generation) 太 空 推 進 (Spacecraft Ion Propulsion) 感 應 耦 合 電 漿 分 光 分 析 儀 (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer) 輝 光 放 電 分 光 分 析 儀 (Glow Discharge Optical Emission Spectrometer) 霓 虹 燈 (Neon Light) 氣 體 雷 射 (Laser Light) 氣 體 經 過 輸 入 高 能 量 解 離 後, 游 離 電 子 具 有 較 高 能 量 而 處 於 激 發 態, 再 釋 放 所 吸 收 的 能 量 而 回 到 基 態, 此 能 量 是 以 光 和 熱 的 形 式 釋 放, 釋 放 出 的 光 線 在 肉 眼 所 見 為 柔 和 的 輝 光 狀 態, 所 以 電 漿 狀 態 又 可 稱 為 輝 光 放 電 (Glow Discharge) 隨 著 國 內 科 技 產 業 升 級, 再 加 上 市 場 需 求 不 斷 增 加, 因 此 利 用 電 漿 加 工 的 技 術 與 其 應 用 不 斷 的 被 開 發, 電 漿 的 應 用 不 外 乎 下 列 幾 種 [32]: 電 漿 接 枝 (Plasma Grafting): 一 般 應 用 在 高 分 子 材 料 上, 經 過 電 20
38 漿 處 理 過 後 材 料 表 面 會 產 生 自 由 基 (Free Radicals) 或 過 氧 化 基 (Peroxides), 再 通 入 反 應 氣 體 會 與 自 由 基 發 生 反 應, 此 反 應 稱 為 電 漿 接 枝, 如 圖 2.8[33] 圖 2.8 電 漿 接 枝 (Plasma Grafting)[33] 電 漿 鍍 膜 (Plasma Coating): 利 用 電 漿 進 行 處 理 產 生 可 聚 合 性 的 離 子, 在 基 材 (Substrate) 表 面 形 成 一 層 薄 膜 即 是 電 漿 鍍 膜, 如 圖 2.9[34] 圖 2.9 電 漿 鍍 膜 (Plasma Coating)[34] 電 漿 濺 鍍 (Plasma Sputtering): 藉 由 電 場 或 磁 場 的 作 用 將 反 應 氣 體 游 離, 並 且 加 速 陽 離 子 撞 擊 陰 極 或 靶 材 使 靶 材 原 子 沉 積 在 材 料 表 面, 如 圖 2.10[35] 21
39 圖 2.10 電 漿 濺 鍍 (Plasma Sputtering)[35] 電 漿 蝕 刻 (Plasma Etching): 以 電 漿 中 的 離 子 撞 擊 材 料 表 面, 此 時 可 能 發 生 物 理 性 的 轟 擊 或 材 料 表 面 原 子 與 自 由 基 (Radical) 發 生 化 學 反 應, 通 常 兩 者 皆 同 時 進 行 電 漿 蝕 刻 主 要 有 清 潔 材 料 表 面 的 效 果 (Pre-Cleaning); 使 材 料 分 子 分 解 氧 化 以 進 行 其 他 化 學 反 應, 如 圖 2.11[36] 圖 2.11 電 漿 蝕 刻 (Plasma Etching)[34] 22
40 2-4 蝕 刻 特 性 之 比 較 一 般 來 說, 蝕 刻 方 式 可 分 為 乾 式 蝕 刻 (Dry Etching) 與 濕 式 蝕 刻 (Wet Etching) 濕 式 蝕 刻 是 利 用 蝕 刻 液 (Etchant) 與 底 材 (Substrate) 反 應, 經 過 反 應 後 移 除 底 材 表 面 薄 膜 或 底 材 本 身, 製 程 簡 單 且 選 擇 性 (Selectivity) 及 蝕 刻 速 度 較 高, 但 濕 式 蝕 刻 屬 於 等 向 性 蝕 刻 (Isotropic), 且 容 易 產 生 底 切 現 象 (Undercut), 如 圖 2.12[36], 使 線 寬 上 受 到 限 制 濕 式 蝕 刻 另 有 蝕 刻 廢 液 的 處 理 問 題, 正 逐 漸 被 乾 式 蝕 刻 所 取 代 [37] 乾 式 蝕 刻 是 一 種 用 來 腐 蝕 底 材 (Substrate) 或 薄 膜 (Thin Film) 的 加 工 方 式, 利 用 電 漿 內 部 離 子 經 電 場 或 磁 場 加 速 後 轟 擊 (Bombardment) 材 料 表 面 達 到 蝕 刻 的 效 果, 可 經 由 調 控 製 程 參 數 如 腔 體 壓 力 (Chamber Pressure) 氣 體 流 量 (Gas Flow Rate) 或 偏 壓 (Bias) 等 達 到 不 同 的 製 程 要 求, 且 乾 式 蝕 刻 為 非 等 向 性 蝕 刻 (Anisotropic), 如 圖 2.13[36], 不 容 易 有 底 切 (Undercut) 現 象 產 生, 因 此 在 製 程 上 可 加 工 較 小 的 線 寬 隨 著 科 技 進 步 與 市 場 需 求, 製 程 線 寬 逼 近 奈 米 等 級, 濕 式 蝕 刻 無 法 達 到 需 求, 乾 式 蝕 刻 逐 漸 成 為 精 密 元 件 製 造 業 者 使 用 的 主 流 的 加 工 方 式 Undercut 圖 2.12 濕 式 蝕 刻 產 生 之 底 切 現 象 [36] 23
41 圖 2.13 非 等 方 向 性 蝕 刻 [37] 乾 式 蝕 刻 的 發 展 主 要 著 重 在 電 漿 之 上, 當 元 件 的 製 程 線 寬 越 小 時, 電 漿 源 的 設 計 及 控 制 越 顯 重 要, 以 下 將 介 紹 幾 種 低 壓 高 密 度 電 漿 反 應 器 : 電 子 迴 旋 共 振 (Electron Cyclotron Resonance,ECR) 反 應 器 : 經 由 提 供 一 高 頻 率 微 波 (Microwave) 使 氣 體 解 離, 電 漿 中 的 電 子 因 磁 場 影 響 做 一 螺 旋 軌 跡 運 動, 當 電 子 環 繞 頻 率 (Cyclotron Frequency) 與 施 加 的 微 波 頻 率 相 同 時, 微 波 能 量 可 有 效 地 傳 遞 給 電 子, 增 進 氣 體 離 子 化 (Ionization), 提 高 腔 體 內 離 子 密 度, 反 應 器 構 造 如 圖 2-14[38] 圖 2-14 電 子 迴 旋 共 振 反 應 器 [38] 24
42 反 應 離 子 蝕 刻 (Reactive Ion Etching,RIE):RIE 是 最 常 使 用 的 蝕 刻 方 式, 包 含 物 理 性 離 子 轟 擊 與 化 學 反 應 的 蝕 刻 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 可 破 壞 材 料 表 面 的 原 子 鍵 結, 以 加 速 反 應 速 率, 也 可 移 除 再 沈 積 於 材 料 表 面 的 產 物, 保 持 材 料 與 蝕 刻 氣 體 的 接 觸 另 外 靠 再 沉 積 的 產 物 覆 蓋 住 蝕 刻 側 壁 而 達 成 非 等 向 性 蝕 刻 的 控 制 [39] 感 應 偶 合 式 電 漿 (Inductively Coupled Plasma,ICP): 腔 體 上 方 或 外 側 裝 置 螺 旋 線 圈 (Spiral Coil), 藉 由 調 控 螺 旋 線 圈 的 磁 通 量, 使 得 電 漿 內 自 由 電 子 做 螺 旋 軌 跡 運 動, 增 加 自 由 電 子 碰 撞 頻 率, 以 增 加 解 離 並 提 高 電 漿 密 度, 反 應 器 構 造 如 圖 2-15[40] 圖 2-15 感 應 偶 合 式 電 漿 反 應 器 [40] 25
43 2-5 碳 化 矽 (SiC) 材 料 蝕 刻 特 性 濕 式 蝕 刻 (Wet Etching) 濕 式 蝕 刻 因 其 製 程 簡 單 量 產 速 度 快 (Thoughput) 選 擇 性 高 (Selectivity) 且 技 術 相 當 純 熟, 所 以 是 在 學 界 或 業 界 相 當 普 遍 使 用 的 蝕 刻 方 式 [38] 1997 年 R. Yakimova 等 人 提 出 以 氫 氧 化 鉀 (KOH) 作 為 蝕 刻 劑 加 工 碳 化 矽 材 料, 藉 著 調 控 工 作 溫 度 與 蝕 刻 時 間 來 控 制 蝕 刻 孔 洞 大 小 (Etch Pit Size) 與 蝕 刻 後 表 面 形 貌 (Appearance), 如 圖 ] 圖 2.16 R. Yakimova 等 人 以 氫 氧 化 鉀 蝕 刻 碳 化 矽 材 料 [42] 在 2002 年,W. S. Moo 與 G. S. Jung 兩 人 提 出 以 氫 氟 酸 (HF) 蝕 刻 碳 化 矽, 並 以 照 射 UV 光 源 及 提 供 偏 壓 (Bias) 輔 助 蝕 刻, 達 到 增 加 蝕 刻 速 率 的 目 的, 如 圖 2.17[42], 其 化 學 反 應 如 下 26
44 2SiC + 6H 2 O + 8h + = SiO 2 + CO 2 + SiO + CO + 12H + 圖 2.17 利 用 HF 蝕 刻 碳 化 矽 [42] 乾 式 蝕 刻 由 於 濕 式 蝕 刻 後 廢 棄 液 體 的 分 解 處 理 不 易, 且 乾 式 蝕 刻 可 達 到 的 加 工 尺 寸 遠 優 於 濕 式 蝕 刻, 也 不 會 產 生 過 切 現 象, 故 近 幾 年 來 乾 式 蝕 刻 逐 漸 取 代 濕 式 蝕 刻, 也 被 應 用 到 碳 化 矽 材 料 的 加 工 上 早 期 對 碳 化 矽 材 料 蝕 刻, 大 多 以 O 2 作 為 蝕 刻 反 應 氣 體, 但 蝕 刻 效 果 並 不 理 想 ;1998 年,J. J.Wang 等 人 提 出 以 氧 氣 配 合 易 揮 發 的 鹵 素 氣 體 三 氟 化 氮 (NF 3 ) 進 行 蝕 刻, 利 用 改 變 輸 入 功 率 與 外 加 偏 壓 達 到 控 制 蝕 刻 速 率 的 目 標, 如 圖 2-18[43] 27
45 圖 2.18 在 O 2 中 添 加 NF 3 來 增 加 蝕 刻 速 率 [43] 由 於 三 氟 化 氮 氣 體 價 格 昂 貴 且 蝕 刻 速 率 有 限, 許 多 研 究 便 轉 為 使 用 六 氟 化 硫 來 進 行 蝕 刻 ; 若 以 純 六 氟 化 硫 蝕 刻 碳 化 矽, 在 材 料 表 面 可 發 現 一 層 含 硫 化 合 物 薄 膜, 這 層 薄 膜 可 能 影 響 蝕 刻 速 率, 為 避 免 此 薄 膜 產 生, 便 開 始 在 六 氟 化 硫 氣 體 中 加 入 氧 氣 (O 2 ), 以 期 避 免 硫 化 物 薄 膜 產 生 並 增 加 蝕 刻 速 率 2001 年 由 S. Tanaka K. Rajanna T. Abe 及 M. Esashi 共 同 發 表 在 六 氟 化 硫 氣 體 中 添 加 氧 氣 以 改 善 蝕 刻 速 率, 並 且 發 現 氧 氣 的 加 入 也 可 降 低 材 料 因 蝕 刻 產 生 的 表 面 破 壞 (Damage), 而 得 到 較 平 整 的 材 料 表 面, 另 外 光 罩 開 口 寬 度 (Mask Opening Width) 也 是 影 響 蝕 刻 深 度 (Etched Depth) 的 主 要 因 素 之 一, 如 圖 2.19[44] 28
46 (A) 未 添 加 氧 氣 (B) 添 加 氧 氣 圖 2.19 在 SF 6 中 添 加 氧 氣 含 量 可 增 加 其 蝕 刻 之 深 寬 比 [44] 碳 化 矽 材 料 表 面 因 乾 蝕 刻 導 致 的 表 面 破 壞 (Surface Damage) 或 污 染 (Contamination) 會 直 接 改 變 材 料 特 性, 對 於 往 後 的 應 用 會 有 相 當 的 影 響 2003 年, 由 J. Liudi 等 學 者 提 出 以 六 氟 化 硫 混 合 氧 氣 且 外 加 偏 壓 進 行 蝕 刻, 在 蝕 刻 後 的 表 面 上 分 析 出 許 多 不 同 碳 氟 鍵 結 結 構 (C-F Bonding Structure), 而 這 些 氟 碳 結 構 可 能 產 生 非 預 期 產 物 或 改 變 碳 化 矽 的 特 性 [45] 雖 然 以 六 氟 化 硫 蝕 刻 碳 化 矽 可 得 到 相 當 高 的 蝕 刻 速 率, 但 其 蝕 刻 後 表 面 因 過 度 蝕 刻 (Over Etch) 使 其 粗 糙 度 相 當 差, 如 此 一 來 蝕 刻 成 品 在 應 用 上 受 到 相 當 大 的 限 制 ;2004 年 J. Liudi 與 R. Cheung 提 出 在 六 氟 化 硫 與 氧 氣 中 再 加 入 氬 氣 (Argon) 提 升 蝕 刻 速 率, 另 外 氬 氣 的 加 入 可 保 護 碳 化 矽 材 料 不 會 產 生 過 度 蝕 刻, 達 到 不 錯 的 表 面 粗 糙 度 (Surface Roughness), 如 圖 2.20[46] 29
47 (a) 未 添 加 Ar (b) 添 加 Ar 圖 2.20 添 加 氬 氣 保 護 碳 化 矽 材 料 避 免 過 度 蝕 刻 而 破 壞 [46] 以 六 氟 化 硫 作 為 反 應 器 體 在 蝕 刻 過 程 後 會 產 生 一 氧 化 硫 (SO) 與 二 氧 化 硫 (SO 2 ), 排 放 後 容 易 產 生 酸 雨 現 象 而 污 染 環 境, 為 了 保 護 環 境 也 有 其 他 研 究 利 用 四 氟 化 碳 (CF 4 ) 進 行 蝕 刻 J. W. Coburn 與 K. Eric 的 研 究 指 出, 四 氟 化 碳 (CF 4 ) 可 應 用 於 蝕 刻 碳 化 矽, 如 表 2.8 [47] 30
48 表 2.8 利 用 CF 4 蝕 刻 碳 化 矽 [47] 2005 年 H. Y. Lee D. W. Kim Y. J. Sung 與 G. Y. Yeom 以 鹽 酸 (HCL) 與 四 氟 化 碳 (CF 4 ) 進 行 蝕 刻, 成 功 製 作 碳 化 矽 微 透 鏡 陣 列 (Micro Lens Array), 如 圖 2.21[48], 在 蝕 刻 速 率 與 蝕 刻 選 擇 性 (Etch Selectivies) 上, 鹽 酸 皆 優 於 四 氟 化 碳, 因 四 氟 化 碳 易 有 碳 沉 積 現 象 產 生 而 降 低 蝕 刻 速 率 圖 2.21 利 用 HBr 及 HCl 蝕 刻 SiC[48] 以 電 漿 進 行 蝕 刻 容 易 因 為 離 子 從 蝕 刻 側 壁 (Sidewalls) 反 射 而 產 生 產 生 31
49 溝 渠 現 象 (Trenching Phenomenon),2006 年 M. Lazar 等 人 以 六 氟 化 硫 (SF 6 ) 添 加 氧 氣 (O 2 ), 藉 著 控 制 腔 體 內 壓 力 (Chamber Pressure) 避 免 Trench 產 生, 如 圖 2.22[49] 2.22 以 SF 6 蝕 刻 (a)10 (b)15 (c)30 分 鐘 後 之 表 面 形 貌 [49] 32
50 第 三 章 實 驗 方 法 本 實 驗 利 用 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 對 SiC 進 行 蝕 刻, 經 由 控 制 腔 體 壓 力 (Chamber Pressure) 與 氣 體 流 量 (Gas Flow) 達 蝕 刻 目 的, 蝕 刻 後 碳 化 矽 試 片 使 用 電 子 顯 微 鏡 (SEM) 觀 測 其 表 面 形 貌, 電 漿 光 譜 分 析 儀 監 控 製 程 中 產 生 之 化 合 物, 能 量 散 佈 分 析 儀 (EDS) 對 材 料 表 面 進 行 定 性 分 析, 白 光 干 涉 儀 蝕 刻 後 材 料 表 面 粗 糙 度 及 蝕 刻 深 度 33
51 3-1 實 驗 流 程 實 驗 設 計 試 片 前 處 理 實 驗 參 數 設 定 腔 體 壓 力 氣 體 流 量 電 漿 蝕 刻 儀 器 分 析 結 果 與 討 論 SEM EDS 電 漿 光 譜 分 析 儀 白 光 干 涉 實 驗 完 成 34
52 3-2 實 驗 設 備 3-2-1: 電 漿 系 統 (Plasma System) 本 實 驗 使 用 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 是 以 RF 螺 旋 線 圈 施 加 電 壓 產 生 感 應 磁 場 而 產 生 電 漿, 如 圖 3.1, 採 Shower 的 方 式, 因 此 可 以 產 生 均 勻 且 密 度 較 高 的 電 漿 ; 壓 力 是 以 美 製 MKS 600 壓 力 控 制 器 來 調 控, 如 圖 3.2, 由 MKS 600 壓 力 控 制 器 可 得 知 Chamber 內 真 空 度, 另 外 也 可 穩 定 控 制 Chamber 壓 力 大 小, 此 控 制 器 還 可 控 制 機 械 式 幫 浦 的 閥 門 開 關, 藉 由 控 制 器 自 動 調 整 閥 門 開 閉 程 度, 而 達 到 真 空 抽 取 的 目 的 ; 真 空 幫 浦 是 使 用 Alcatel 的 機 械 式 幫 浦 (Mechanical Pump) 進 行 真 空 抽 取, 如 圖 3.3, 此 機 械 式 幫 浦 的 真 空 壓 力 範 圍 為 1 atm 至 Torr 能 量 的 輸 入 是 以 RF Plasma Generator 控 制 輸 入 的 功 率 大 小 ; 並 可 經 調 控 Matching Box 內 部 電 容 位 置 來 控 制 反 射 功 率 (Reflection Power), 實 驗 機 台 中 的 升 降 平 台 最 主 要 是 控 制 電 漿 源 到 試 片 的 距 離, 由 此 可 固 定 每 次 實 驗 中 試 片 與 電 漿 源 間 的 高 度, 藉 由 調 控 升 降 平 台 高 度 亦 可 控 制 反 射 功 率 大 小, 此 實 驗 的 反 射 功 率 控 制 範 圍 為 所 輸 入 功 率 的 3% 以 下 ; 若 反 射 功 率 過 高, 會 產 生 不 穩 定 的 輝 光 狀 態 而 電 漿 消 失, 因 此 電 漿 的 反 射 功 率 多 控 制 在 3% 以 下 較 佳 35
53 真 空 腔 體 高 度 控 制 搖 桿 RF Plasma Generator 反 射 功 率 控 制 器 圖 3.1 RF 電 漿 蝕 刻 機 台 36
54 圖 3.2 MKS600 壓 力 控 制 器 (Pressure Controller) 圖 3.3 機 械 式 幫 浦 (Mechanical Pump) 37
55 3-2-2: 流 量 控 制 系 統 本 實 驗 利 用 通 入 SF 6 O 2 及 Ar 作 為 反 應 氣 體, 輸 入 能 量 使 氣 體 解 離 形 成 電 漿 態 進 而 達 到 蝕 刻 材 料 表 面 的 目 的, 不 同 氣 體 解 離 產 生 的 電 漿 對 於 相 同 材 料 會 產 生 不 同 的 效 果 ; 氣 體 使 用 的 流 量 計 並 不 能 通 用, 故 本 實 驗 所 使 用 的 流 量 計 是 Brooks-5850E 的 SF 6 流 量 計, 如 圖 3.4, 藉 由 Arenatec RP-104T 的 氣 體 流 量 控 制 器 調 節 所 需 的 氣 體 百 分 比, 如 圖 3.5, 以 Mass Flow Controller 上 標 示 可 承 受 的 最 大 流 量 加 以 換 算, 即 得 到 所 需 的 氣 體 流 量, 氣 體 流 量 單 位 為 SCCM (Standard Cubic Centimeter Per Minute) 圖 3.4 Brooks-5850E SF 6 流 量 計 38
56 圖 3.5 Arenatec RP-104T 流 量 控 制 器 3-3 試 片 前 處 理 試 片 進 行 電 漿 蝕 刻 之 前, 須 先 拋 光 試 片 表 面 至 鏡 面 狀 態 ; 由 於 試 片 在 電 漿 蝕 刻 後 將 使 用 電 子 顯 微 鏡 觀 察, 若 試 片 沒 有 拋 光 至 鏡 面, 經 過 電 子 顯 微 鏡 觀 察 試 片 時 較 容 易 發 現 刮 痕 現 象, 影 響 刮 痕 與 蝕 刻 凹 坑 的 分 辨 率 ; 另 一 方 面, 若 試 片 表 面 未 經 拋 光 直 接 進 行 電 漿 蝕 刻, 則 使 用 SEM 觀 察 時 較 不 容 易 觀 察 出 材 料 表 面 晶 格 是 否 因 電 漿 蝕 刻 而 有 所 改 變 ; 若 經 由 電 漿 蝕 刻 後 有 殘 留 物 質 在 試 片 表 面, 或 是 材 料 表 面 產 生 薄 膜, 會 因 為 試 片 表 面 不 是 鏡 面 而 無 法 觀 察 到, 且 不 易 觀 察 出 薄 膜 或 殘 留 物 質 的 晶 格 是 否 和 材 料 表 面 晶 格 相 同 本 實 驗 試 片 拋 光 所 使 用 設 備 是 由 South Bay Technology, INC. 製 造 的 Model 900 無 段 變 速 研 磨 拋 光 機, 如 圖 3.6, 配 合 鑽 石 拋 光 絨 布 及 拋 光 鑽 石 膏 (Diamond Compound) 進 行 拋 光 ; 拋 光 時 先 使 用 6μm 鑽 石 膏, 之 後 再 使 以 1μm 及 1/4μm 鑽 石 膏 拋 光 材 料 至 材 料 表 面 為 一 鏡 面, 這 樣 便 可 降 低 材 料 表 面 的 粗 糙 度, 且 較 容 易 在 顯 微 鏡 下 觀 察 材 39
57 料 表 面 晶 格 圖 3.6 Model 900 之 無 段 變 速 研 磨 拋 光 機 試 片 進 行 蝕 刻 前, 須 先 使 用 鑽 石 切 割 機 (Precision Cutting Machine) 進 行 預 切, 如 圖 3.7, 使 蝕 刻 後 之 試 片 較 容 易 觀 察 ; 由 於 鑽 石 切 割 機 搭 配 潤 滑 油 使 用, 潤 滑 油 能 降 低 切 削 時 的 產 生 的 溫 度, 所 以 每 當 試 片 切 割 完 成 後 須 放 入 丙 酮 內 以 超 音 波 震 洗 機 將 油 漬 去 除, 如 圖 3.8; 若 震 洗 的 過 程 中 有 油 漬 殘 留, 可 能 在 蝕 刻 過 程 中 產 生 非 預 期 的 產 物 而 影 響 蝕 刻 結 果, 也 容 易 造 成 一 些 不 必 要 的 元 素 與 材 料 或 實 驗 氣 體 產 生 化 合 的 現 象, 將 會 使 實 驗 數 據 不 準 確 ; 另 一 方 面, 若 清 洗 不 完 全, 在 電 子 顯 微 鏡 (SEM) 下 觀 察 也 有 所 影 響 40
58 圖 3.7 鑽 石 切 割 機 (Precision Cutting Machine) 圖 3.8 超 音 波 震 洗 機 41
59 3-4 檢 測 儀 器 設 備 本 實 驗 試 片 經 由 電 漿 蝕 刻 完 後 經 由 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 S-4160 (SEM)( 圖 3.9) 加 以 檢 測 ; 藉 由 電 子 顯 微 鏡 分 析 材 料 表 面 經 蝕 刻 後 之 微 結 構 以 及 材 料 表 面 的 粗 糙 情 形 ; 並 以 搭 配 在 電 子 顯 微 鏡 上 的 能 量 散 佈 分 析 儀 (EDS)( 圖 3.10) 可 得 知 蝕 刻 後 的 材 料 表 面 之 元 素 組 成, 以 及 元 素 比 例, 可 經 由 元 素 的 成 分 比 例, 推 測 沉 積 物 產 生 的 多 寡 ; 電 漿 光 譜 分 析 儀 ( 圖 3.11) 可 在 製 程 中 即 時 截 取 電 漿 散 發 出 的 光 譜, 所 得 光 譜 經 分 析 可 得 知 蝕 刻 其 間 發 生 之 產 物 最 後 由 白 光 干 涉 儀 觀 察 材 料 表 面 的 粗 糙 度 材 料 蝕 刻 之 形 狀 以 及 詳 細 的 深 度 圖 3.9 SEM(Scanning Electron Microscope)S
60 圖 3.10 能 量 散 佈 分 析 儀 (Energy Dispersive Spectrometer) 圖 3.11 Plasus Emicon 電 漿 光 譜 分 析 儀 43
61 3-5 實 驗 步 驟 (1) 先 使 用 酒 精 (Alcohol) 或 丙 酮 (Acetone) 清 理 Chamber (2) 試 片 前 處 理 : 所 有 試 片 在 以 電 漿 處 理 前 先 拋 光 表 面, 待 其 拋 光 至 鏡 面 (3) 拋 光 後 之 試 片 使 用 鑽 石 切 割 機 進 行 預 切 動 作, 試 片 切 割 完 成 後 放 入 超 音 波 震 洗 機 內 震 洗 乾 淨 (4) 試 片 放 置 入 腔 體 前 以 酒 精 擦 拭 表 面 後, 再 使 用 氮 氣 槍 清 潔 試 片 的 表 面 (5) 將 試 片 放 入 PECVD 儀 器 中, 抽 真 空 至 Torr 以 下, 以 降 低 Chamber 內 的 氣 體 分 子 量 (6) 調 節 所 需 參 數, 包 括 流 量 壓 力 等 (7) 通 入 SF 6 O 2 及 Ar 混 合 氣 體 分 子 3~5 分 鐘, 使 Chamber 內 先 處 於 充 滿 反 應 氣 體 的 條 件 下, 調 節 Chamber 內 壓 力 至 Torr, 待 Chamber 內 壓 力 穩 定 (8) 開 啟 RF Power Supply, 並 控 制 反 應 功 率 在 3% 以 下, 開 始 進 行 電 漿 蝕 刻, 同 時 間 啟 動 電 漿 光 譜 儀, 進 行 電 漿 成 分 分 析 記 錄, 待 時 間 結 束, 實 驗 完 成 (9) 更 換 Chamber 內 試 片, 重 覆 步 驟 (1) 至 步 驟 (7) (10) 電 漿 蝕 刻 完 成 的 試 片 利 用 電 子 顯 微 鏡 及 白 光 干 涉 儀 等 儀 器 分 44
62 析, 並 討 論 不 同 參 數 下 的 試 片 差 異 45
63 第 四 章 結 果 與 討 論 本 實 驗 利 用 SF 6 O 2 與 Ar 的 混 合 氣 體, 施 以 功 率 500 W 解 離 混 合 氣 而 產 生 電 漿, 藉 電 漿 達 到 蝕 刻 碳 化 矽 之 目 的, 並 探 討 氣 體 混 合 比 例 對 碳 化 矽 蝕 刻 後 表 面 形 貌 (Surface Morphology) 深 度 (Depth) 及 表 面 粗 糙 度 (Surface Roughness) 之 影 響 圖 4.1 與 4.2 為 未 經 加 工 之 碳 化 矽 表 面 形 貌 與 EDX 成 分 分 析 圖 4.1 未 經 加 工 之 碳 化 矽 表 面 形 貌 46
64 圖 4.2 未 經 處 理 的 SiC 試 片 之 EDX 成 分 分 析 47
65 4-1 不 同 氣 體 比 例 對 SiC 材 料 蝕 刻 之 影 響 SF 6 與 O 2 混 合 比 例 對 SiC 蝕 刻 表 面 形 貌 之 影 響 圖 4.3 為 總 氣 體 流 量 (Total Gas Flow) 20 sccm (Standard Cubic Centimeters Per Minute), 電 漿 處 理 時 間 30 分 鐘,RF 功 率 500 W,SF 6 與 O 2 流 量 比 例 1:4 之 混 合 氣 體 蝕 刻 後 表 面 形 貌, 處 理 後 凹 坑 (Pit) 表 面 並 不 平 整,Pattern 的 轉 寫 效 果 非 常 不 明 顯, 其 Cross-Section 如 圖 4.4 所 示 經 EDX 量 測 蝕 刻 凹 坑 內 成 分 分 析 如 圖 4.5, 發 現 經 電 漿 處 理 後 表 面 形 成 一 含 氟 (F) 鋁 (Al) 氧 (O) 碳 (C) 與 矽 (Si) 的 薄 膜 覆 蓋 在 凹 坑 內 ; 因 真 空 腔 體 內 壁 經 過 陽 極 處 理, 而 此 處 理 過 程 所 需 原 料 含 有 Al 的 成 分, 在 進 行 蝕 刻 製 程 的 同 時, 高 能 粒 子 也 會 撞 擊 腔 壁 而 在 腔 體 中 形 成 Al 離 子, 造 成 含 鋁 薄 膜 的 形 成, 其 Al/F 比 例 為 0.68 圖 4.6 為 SF 6 與 O 2 比 例 為 2:3, 蝕 刻 過 後 之 凹 坑 表 面, 較 為 平 坦 且 無 明 顯 高 低 起 伏, 在 此 混 合 比 例 下,Pattern 轉 寫 較 為 完 整, 且 明 顯 可 觀 察 到 因 離 子 折 射 或 散 射 撞 擊 Sidewall Feet 而 產 生 的 Tranch 現 象 [50], 如 圖 4.7 所 示, 經 EDX 分 析 凹 坑 內 仍 有 薄 膜 產 生, 其 Al/F 比 例 為 0.75 若 再 增 加 SF 6 流 量 至 與 O 2 比 例 為 3:2, 蝕 刻 後 以 SEM 與 Cross-Section 觀 測 如 圖 4.8 與 圖 4.9, 凹 坑 內 的 薄 膜 仍 然 平 坦,Pattern 轉 寫 狀 況 並 不 理 想, 薄 膜 之 Al/F 比 例 為 0.79 圖 4.10 與 圖 4.11 為 SF 6 與 O 2 比 例 4:1 進 行 蝕 刻 處 理 後 之 表 面 形 貌 與 Cross-Section 觀 測, 蝕 刻 凹 坑 內 48
66 起 伏 不 大, 無 薄 膜 裂 痕 現 象, 以 EDX 測 其 Al/F 比 例 為 0.87 SF 6 的 加 入 有 助 於 蝕 刻 凹 坑 可 得 較 好 的 平 整 度 圖 4.3 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 1:4 蝕 刻 半 小 時 後 之 表 面 形 貌 圖 4.4 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 1:4 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 49
67 圖 4.5 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 1:4 蝕 刻 半 小 時 之 EDX 成 分 分 析 圖 4.6 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 2:3 蝕 刻 半 小 時 後 之 表 面 形 貌 50
68 圖 4.7 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 2:3 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 圖 4.8 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 3:2 蝕 刻 半 小 時 後 之 表 面 形 貌 51
69 圖 4.9 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 3:2 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 圖 4.10 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 4:1 蝕 刻 半 小 時 後 之 表 面 形 貌 52
70 圖 4.11 SiC 經 SF 6 O 2 氣 體 比 例 4:1 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 經 陽 極 處 理 的 腔 壁 與 電 漿 接 觸 後 會 產 生 Al 離 子, 此 離 子 散 佈 在 電 漿 中 與 SiC 反 應 後, 會 在 試 片 蝕 刻 凹 坑 內 形 成 含 鋁 薄 膜, 此 薄 膜 覆 蓋 在 凹 坑 內 可 保 護 底 材 [51], 影 響 蝕 刻 之 進 行 SiC 材 料 熱 熔 點 為 2830 [52], 而 由 F Al 兩 元 素 組 成 之 薄 膜 熔 點 約 為 1290 [53], 實 驗 中 SF 6 流 量 從 4 sccm 增 加 至 16 sccm, 經 EDX 成 分 分 析 圖 4.12 中 可 觀 察 到 其 Al/F 比 例 從 0.68 逐 漸 上 升 至 0.87, 顯 示 Al 成 分 含 量 增 加 且 薄 膜 組 成 配 比 的 不 同, 且 在 本 實 驗 中 所 形 成 之 薄 膜 含 有 O Si C 成 分, 因 此 薄 膜 特 性 如 熔 點 熱 膨 脹 係 數 等 也 有 所 改 變 底 材 SiC 與 53
71 薄 膜 之 間 因 不 同 的 熱 膨 脹 係 數 影 響 下, 導 致 薄 膜 受 熱 應 力 而 產 生 裂 痕 [54], 此 外 EDX 分 析 也 發 現 SF 6 的 加 入 有 助 於 含 鋁 薄 膜 的 形 成, 而 影 響 蝕 刻 進 行 圖 4.12 薄 膜 Al/F 比 例 與 SF 6 與 O 2 混 合 比 例 關 係 圖 54
72 4-1-2 SF 6 與 O 2 混 合 比 例 對 SiC 蝕 刻 深 度 與 表 面 粗 糙 度 之 影 響 以 電 漿 功 率 500 W 蝕 刻 SiC 30 分 鐘, 實 驗 中 改 變 SF 6 與 O 2 混 合 比 例 並 固 定 總 氣 體 流 量 為 20 sccm, 試 片 經 電 漿 處 理 後 以 白 光 干 涉 儀 測 量 蝕 孔 深 度 及 表 面 粗 糙 度 圖 4.13 為 SF 6 O 2 混 合 比 例 1:4 時, 量 測 蝕 刻 深 度 為 nm, 表 面 粗 糙 度 為 3.69 當 增 加 SF 6 含 量 至 與 O 2 混 合 比 例 為 2:3, 經 蝕 刻 後 蝕 刻 深 度 提 升 為 nm, 表 面 粗 糙 度 提 高 至 1.95 nm, 其 表 面 形 貌 如 圖 4.14 當 SF 6 O 2 混 合 比 例 為 3: 2, 其 蝕 刻 深 度 再 增 加 至 nm, 表 面 粗 糙 度 卻 降 低 為 0.81 nm, 如 圖 4.15 再 增 加 SF 6 流 量 至 與 O 2 比 例 為 4:1, 卻 得 到 蝕 刻 深 度 nm, 表 面 粗 糙 度 為 0.37 nm, 經 白 光 干 涉 分 析 出 表 面 形 貌 如 圖
73 圖 4.13 SiC 經 SF 6 O 2 比 例 1:4 蝕 刻 後 之 白 光 干 涉 檢 測 結 果 圖 4.14 SiC 經 SF 6 O 2 比 例 2:3 蝕 刻 後 之 白 光 干 涉 檢 測 結 果 56
74 圖 4.15 SiC 經 SF 6 O 2 比 例 3:2 蝕 刻 後 之 白 光 干 涉 檢 測 結 果 圖 4.16 SiC 經 SF 6 O 2 比 例 4:1 蝕 刻 後 之 白 光 干 涉 檢 測 結 果 57
75 蝕 刻 深 度 與 氣 體 比 例 關 係 如 圖 4.17,SF 6 在 電 漿 中 會 解 離 為 F 與 S 離 子 ;F 原 子 最 外 層 軌 域 帶 七 個 電 子, 為 了 達 成 與 八 隅 體 規 則 (Octet Rule), 其 抓 電 子 能 力 極 強 導 致 高 氧 化 性, 在 蝕 刻 製 程 中 利 用 F 離 子 易 與 其 他 粒 子 形 成 化 合 物 的 特 性 達 到 蝕 刻 的 效 果,F 離 子 會 對 SiC 進 行 化 學 侵 蝕 而 形 成 揮 發 性 產 物, 而 S 離 子 也 有 相 同 的 效 果, 並 且 也 進 行 物 理 轟 擊 材 料 表 面,O 離 子 的 加 入 可 與 材 料 內 的 C 原 子 形 成 氣 態 化 合 物 而 達 到 蝕 刻 效 果, 在 SF 6 O 2 氣 體 比 例 1:4 與 2:3 時,O 離 子 對 於 蝕 刻 表 面 有 較 大 影 響, 製 程 結 果 較 趨 近 於 以 純 氧 進 行 製 程 所 得 之 效 果 ; 為 當 SF 6 O 2 混 合 比 例 3:2 時, 此 為 兩 氣 體 混 合 的 最 佳 比 例, 可 得 蝕 刻 深 度 nm, 若 再 增 加 SF 6 含 量, 此 比 例 便 被 破 壞, 蝕 刻 結 果 便 接 近 於 使 用 純 SF 6 進 行 蝕 刻 產 生 之 效 果 O 為 6A 族 元 素, 其 最 外 層 電 子 軌 域 包 圍 六 顆 電 子, 造 成 O 原 子 需 較 多 能 量 才 能 與 其 他 粒 子 化 合, 而 達 到 較 穩 定 狀 態, 其 氧 化 性 較 F 離 子 弱, 對 於 蝕 刻 碳 化 矽 材 料 來 說,O 離 子 同 時 扮 演 物 理 性 轟 擊 與 化 學 反 應 性 蝕 刻 兩 種 角 色, 圖 4.18 為 表 面 粗 糙 度 與 氣 體 比 例 關 係 圖, O 2 混 合 比 例 越 高,SiC 表 面 發 生 氧 化 與 O 離 子 物 理 性 轟 擊 的 機 會 越 大, 因 此 表 面 粗 糙 度 越 大 ; 由 Xia 等 人 在 其 研 究 中 歸 納 出, 當 增 加 總 + 氣 體 流 量 中 O 2 的 含 量 時, 蝕 刻 材 料 表 面 因 O 2 離 子 轟 擊 而 粗 糙 度 提 升 [55], 此 結 論 與 本 結 果 相 符 合 ; 而 F 離 子 在 系 統 中 濃 度 的 增 加, 其 化 58
76 學 性 蝕 刻 特 性 越 能 表 現 出 來, 便 可 得 較 小 的 表 面 粗 糙 度 [56], 當 SF 6 與 O 2 混 合 比 例 為 4:1 時, 可 達 到 最 小 表 面 粗 糙 度 0.37 nm; 反 之, O 濃 度 的 提 升 造 成 其 物 理 轟 擊 效 應 增 加, 表 面 粗 糙 度 便 隨 之 提 升 圖 4.17 蝕 刻 深 度 與 SF 6 O 2 比 例 之 關 係 圖 59
77 圖 4.18 表 面 粗 糙 度 與 SF 6 O 2 比 例 關 係 圖 60
78 4-2 添 加 Ar 對 SiC 蝕 刻 之 影 響 添 加 Ar 對 SiC 蝕 刻 表 面 形 貌 之 影 響 蝕 刻 反 應 氣 體 中,SF 6 與 O 2 比 例 固 定 4:1, 保 持 總 氣 體 流 量 為 20 sccm, 並 添 加 Ar 進 行 電 漿 蝕 刻 圖 4.19 與 圖 4.20 為 加 入 81% Ar( SF 6 O 2 Ar 流 量 分 別 為 3 sccm 0.8 sccm 16.2 sccm) 之 電 漿 蝕 刻 後 表 面 形 貌 與 Cross-Section 分 析, 其 蝕 孔 內 有 薄 膜 產 生, 如 圖 4.21 之 EDX 成 分 分 析, 且 發 生 非 規 則 性 的 薄 膜 破 裂 與 大 量 裂 痕 現 象, Pattern 轉 寫 效 果 極 差, 因 實 驗 中 使 用 接 觸 式 光 罩 (Contact Mask), 光 罩 與 Substrate 之 間 有 孔 隙 產 生, 電 漿 分 部 在 此 空 間 內 並 也 產 生 蝕 刻 效 果, 使 覆 蓋 在 Mask 底 下 的 Substrate 有 嚴 重 的 侵 蝕 的 現 象 圖 4.22 為 加 入 71.5% Ar (SF 6 O 2 Ar 流 量 分 別 為 4.5 sccm 1.2 sccm 14.3 sccm), 凹 坑 內 破 裂 與 裂 痕 程 度 加 劇, 但 蝕 刻 後 Pattern 與 覆 蓋 在 Mask 底 下 的 Substrate 較 為 完 整, 如 圖 4.23 所 示 當 持 續 降 低 Ar 流 量 至 62%(12.4 sccm), 所 有 蝕 刻 區 域 內 皆 被 薄 膜 覆 蓋, 且 薄 膜 表 面 相 當 平 坦, 覆 蓋 在 Mask 底 下 的 Substrate 仍 有 被 蝕 刻 的 現 象, 如 圖 4.24 與 圖 4.25 圖 4.26 為 加 入 53.5% Ar(SF 6 O 2 Ar 流 量 分 別 為 7.5 sccm 1.8 sccm 10.7 sccm) 之 SEM 表 面 形 貌 分 析, 蝕 刻 區 域 表 面 原 本 覆 蓋 的 薄 膜 幾 乎 完 全 被 移 除, 只 殘 餘 少 量 薄 膜,SiC 底 材 裸 露 在 外, 而 Pattern 轉 寫 更 為 完 整 如 圖 4.27 再 繼 續 減 少 Ar 氣 體 含 量 至 44%(
79 sccm), 蝕 刻 區 域 內 又 產 生 非 規 則 性 的 薄 膜 破 裂 與 裂 痕, 如 圖 4.28, 而 覆 蓋 在 Mask 底 下 的 Substrate 仍 有 被 蝕 刻 的 現 象, 如 圖 4.29 當 Ar 流 量 設 為 34.5%(6.9 sccm), 蝕 刻 區 域 表 面 大 多 被 薄 膜 覆 蓋, 只 有 少 數 蝕 刻 凹 坑 內 有 薄 膜 破 裂 情 況 發 生,Mask 底 下 的 Substrate 仍 有 輕 微 被 蝕 刻 的 現 象, 如 圖 4.30 與 圖 4.31 加 入 25% Ar (SF 6 O 2 Ar 流 量 分 別 為 12 sccm 3 sccm 5 sccm), 表 面 同 樣 大 多 被 薄 膜 覆 蓋, 少 數 蝕 刻 區 域 發 生 薄 膜 破 裂 與 裂 痕,Mask 底 下 Substrate 的 侵 蝕 狀 況 更 加 微 弱, 如 圖 4.32 與 圖 3.33 圖 4.19 SiC 經 電 漿 蝕 刻 後 之 表 面 形 貌 (Ar:16.2 sccm SF 6 :3 sccm O 2 :0.8 sccm) 62
80 圖 4.20 SiC 經 電 漿 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 (Ar:16.2 sccm SF 6 :3 sccm O 2 :0.8 sccm) 圖 4.21 SiC 經 電 漿 蝕 刻 後 之 EDX 成 分 分 析 (Ar:16.2 sccm SF 6 :3 sccm O 2 :0.8 sccm) 63
81 圖 4.22 SiC 經 電 漿 蝕 刻 後 之 表 面 形 貌 (Ar:14.3 sccm SF 6 :4.5 sccm O 2 :1.2 sccm) 圖 4.23 SiC 經 電 漿 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 (Ar:14.3 sccm SF 6 :4.5 sccm O 2 :1.2 sccm) 64
82 圖 4.24 SiC 經 電 漿 蝕 刻 後 之 表 面 形 貌 (Ar:12.4 sccm SF 6 :6 sccm O 2 :1.6 sccm) 圖 4.25 SiC 經 電 漿 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 (Ar:12.4 sccm SF 6 :6 sccm O 2 :1.6 sccm) 65
83 圖 4.26 SiC 經 電 漿 蝕 刻 後 之 表 面 形 貌 (Ar:10.7 sccm SF 6 :7.5 sccm O 2 :1.8 sccm) 圖 4.27 SiC 經 電 漿 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 (Ar:10.7 sccm SF 6 :7.5 sccm O 2 :1.8 sccm) 66
84 圖 4.28 SiC 經 電 漿 蝕 刻 後 之 表 面 形 貌 (Ar:8.8 sccm SF 6 :9 sccm O 2 :2.2 sccm) 圖 4.29 SiC 經 電 漿 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 (Ar:8.8 sccm SF 6 :9 sccm O 2 :2.2 sccm) 67
85 圖 4.30 SiC 經 電 漿 蝕 刻 後 之 表 面 形 貌 (Ar:6.9 sccm SF 6 :10.5 sccm O 2 :2.6 sccm) 圖 4.31 SiC 經 電 漿 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 (Ar:6.9 sccm SF 6 :10.5 sccm O 2 :2.6 sccm) 68
86 圖 4.32 SiC 經 電 漿 蝕 刻 後 之 表 面 形 貌 (Ar:5 sccm SF 6 :12 sccm O 2 :3 sccm) 圖 4.33 SiC 經 電 漿 蝕 刻 半 小 時 後 之 Cross-Section 示 意 圖 (Ar:5 sccm SF 6 :12 sccm O 2 :3 sccm) 69
87 實 驗 中 蝕 刻 區 域 內 產 生 之 薄 膜 因 組 成 配 比 不 同, 如 圖 4.34, 而 有 不 同 的 熱 膨 脹 係 數, 但 SiC 本 身 為 一 高 熱 穩 定 性 材 料, 擁 有 相 當 小 的 熱 膨 脹 係 數, 兩 種 材 料 相 較 之 下, 含 鋁 薄 膜 在 電 漿 蝕 刻 過 程 中 容 易 因 熱 膨 脹 導 致 裂 痕 或 破 裂 現 象, 且 電 漿 與 能 量 分 布 的 不 均 勻 或 電 漿 再 現 性 的 不 穩 定, 當 氣 體 離 子 在 材 料 表 面 反 應 後, 造 成 薄 膜 Al/F 比 例 不 同 而 有 不 同 的 特 性, 也 是 導 致 在 同 一 個 試 片 上 產 生 薄 膜 裂 痕 或 破 裂 與 否 的 關 鍵 因 素 ; 在 Ar 含 量 高 的 狀 況 下, 以 經 過 電 壓 加 速 且 帶 有 高 能 量 Ar 離 子 轟 擊 材 料 表 面, 更 能 加 強 含 鋁 膜 層 的 移 除, 而 提 升 蝕 刻 效 果 圖 4.34 薄 膜 Al/F 比 例 與 加 入 Ar 比 例 關 係 圖 70
88 4-2-2 添 加 Ar 對 SiC 電 漿 蝕 刻 生 成 物 之 影 響 腔 體 內 通 入 總 流 量 20 sccm 的 SF 6 O 2 與 Ar 混 合 氣 體, 固 定 SF 6 與 O 2 流 量 比 為 4:1, 並 逐 漸 增 加 Ar 在 混 合 氣 體 中 比 例, 待 腔 體 內 氣 壓 穩 定 後 輸 入 500 W 功 率 解 離 氣 體 以 進 行 蝕 刻, 蝕 刻 過 程 中 利 用 電 漿 光 譜 儀 即 時 量 測 電 漿 內 反 應 產 生 之 產 物 圖 4.35 為 加 入 Ar 比 例 25% 的 蝕 刻 過 程 所 得 之 電 漿 光 譜,SF 6 解 離 成 F 離 子 S 離 子, 其 中 F 離 子 與 SiC 形 成 固 態 SiF(Wavelength: nm) 與 SiF 2 (Wavelength: nm), 此 Si-F 產 物 較 不 穩 定 容 易 再 與 F 形 成 氣 態 SiF 4 ;SiF SiF 2 與 SiF 4 為 蝕 刻 過 程 中 主 要 的 含 Si 產 物 [57] S 離 子 與 C 形 成 氣 態 一 硫 化 碳 (Wavelength: nm), 而 氧 氣 解 離 為 O 離 子 並 與 底 材 上 的 游 離 碳 形 成 CO(Wavelength: nm) 與 CO (Wavelength: nm), 此 結 果 與 Lihui Cao 等 學 者 在 其 研 究 中 [58], 所 得 含 C-O 產 物 結 果 一 致 ;CO CO 2 與 CS 為 蝕 刻 中 的 主 要 含 C 產 物 腔 壁 上 的 陽 極 處 理 膜 層 因 電 漿 產 生 Al 離 子, 與 F O 離 子 會 形 成 AlF 氣 體 (Wavelength: nm) 與 Al 2 O 3 固 體 (Wavelength: nm) 沉 積 [49] 71
89 72
90 圖 4.36 圖 4.37 與 圖 4.38 為 Ar 添 加 比 例 與 電 漿 蝕 刻 產 物 光 譜 分 析 之 比 較, 實 驗 中 Ar 含 量 減 少 會 使 Si-F 與 C-O 系 列 產 物 的 光 譜 強 度 增 加, 且 Si C 光 譜 強 度 也 隨 之 變 大, 表 示 減 少 Ar 除 了 提 升 F O 離 子 濃 度 之 外 也 使 F O 自 由 基 與 SiC 之 間 化 學 反 應 效 果 加 強 [46], 有 利 於 蝕 刻 速 度, 此 時 電 漿 化 學 性 蝕 刻 效 果 占 主 導 性 地 位 反 之, 增 加 Ar 含 量, 物 理 轟 擊 (Bombardment) 效 果 占 優 勢,Si-F 與 C-O 系 列 產 物 產 量 便 降 低 當 Ar 含 量 減 少, 電 漿 內 F O 離 子 濃 度 上 升,Al 光 譜 強 度 隨 之 提 高, 表 示 腔 壁 上 含 鋁 膜 層 經 電 漿 反 應 釋 出 更 多 Al 離 子, 而 Al 離 子 會 再 與 F 或 O 離 子 作 用, 形 成 氣 態 AlF 隨 真 空 系 統 排 出 或 固 體 Al 2 O 3 產 物 ( 熔 點 為 2054 ) 沉 積 在 底 材 上 [59], 此 含 鋁 產 物 的 形 成 沉 積 與 被 蝕 刻 同 時 進 行, 因 此 要 提 升 蝕 刻 速 率 與 此 固 體 膜 層 之 移 除 有 相 當 大 的 關 係 73
= = F d ( ) = q ε λ q ε λ q e - + Ar + Ar + hν (2) - - ( ) (Degree of Ionization) 0.1% 100% PECVD 1% PECVD (2) e - + Ar Ar + hν (3) Ar* 1 torr (q ε λ
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) e - + Ar Ar + + 2 e - (1) = = F d ( ) = q ε λ q ε λ q e - + Ar + Ar + hν (2) - - ( ) (Degree of Ionization) 0.1% 100% PECVD 1% PECVD (2) e - + Ar Ar + hν (3) Ar* 1 torr (q ε λ i ) (q
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