第二章 實驗步驟與分析儀器原理
2.1 矽微米柱製程
2.1.2 元件製程與製程設備
本實驗室長期投入人力於國家奈米元件實驗室(National nano device laboratory；NDL)，實驗室成員皆需參與半導體製程技術課程、
材料分析技術課程，以及後續於 NDL 無塵室進行半導體製程實驗以 更進一步提升製程技術。本實驗用光電極將以半導體製程製備一維矽 微米柱結構，以下將逐項介紹圖 2.1 製程步驟。
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圖 2. 1 本實驗矽微米柱製程
2.1.2.1 Wafer cleaning (class 100)
此 道 製 程 於 NDL 之 無 塵 室 (100 級 ) 前 段 - 化 學 清 洗 工 作 站 (wet-bench class100)(圖 2.2)進行，實驗中選用 STD 清潔法(standard clean)加上氫氟酸(HF acid)進行晶片清洗，如表 2-2。
表 2-2 STD clean method + HF
SC-1 為 (NH4OH/H2O2/H2O)溶液，比例為(1：4：20)，用以去除微粒 (particle)、氧化有機物。
SC-2 為(HCl/H2O2/H2O)溶液，比例為(1：1：6)，用以去除金屬汙染 物。
DHF(dilute hydrogen fluoric acid)為(H2O/HF)溶液，比例為(50:1)，用 以去除原生氧化層(native oxide)。
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QDR(quick dump rinse)為利用高流速之高壓水霧噴灑於晶圓並同時 儲存於沖洗槽中，當水位到達特定之高度時，位於槽底之洩漏閥便迅 速打開，立即排除沖洗過用水，洩漏再關閉，並重複此循環過程且同 時通入氮氣產生氣泡以增進洗淨污染物之能力。
Spin dryer(如圖 2.3)為利用高速旋轉所產生之離心力將水分去除，並 同時噴灑加熱過之氮氣將水氣排出，而晶圓高速旋轉時會產生靜電荷 而容易吸引微粒，故會加裝一靜電消除器加以控制靜電荷之產生。
圖 2.2 wet-bench class100
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圖 2.3 Spin dryer
2.1.2.2 Wet oxide (SiO2) deposition
本實驗選用二氧化矽作為蝕刻矽微米柱(silicon microwires；Si MWs)之硬遮罩(hard mask)，透過水平爐管(圖 2.4)以低壓化學氣相沉 積法(low pressure chemical vapor deposition；LPCVD)沉積濕式氧化層 (wet oxide)。製程反應如下：
𝐻2(𝑔) +1
2𝑂2(𝑔) → 𝐻2𝑂(𝑔) (3) 2𝐻2𝑂(𝑔) + 𝑆𝑖(𝑠) → 𝑆𝑖𝑂2(𝑠) + 2𝐻2(𝑔) (4) 用氫氣點火之方式產生水汽，水汽再跟矽基板反應形成 SiO2，適 合用於成長較厚之氧化層，反應所需溫度達 980℃。以此方法生成之 氧化層厚度可達 300 ~ 10000 Å ，而本實驗氧化層厚度為 5000 Å 作為 硬遮罩。
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圖 2.4 水平爐管
由水平爐管製成之氧化層厚度將由”NK1500-薄膜分析儀”(圖 2.5) 進行厚度分析以確定沉積厚度之狀況。NK1500 測量薄膜厚度原理為 根據不同厚度之薄膜具不同”折射率 n”與”消光係數 k”，當對不同材 料測量厚度時將對照儀器內部資料庫模擬薄膜厚度。
圖 2.5 NK1500 薄膜測厚儀
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2.1.2.3 Photoresist coating
本實驗製備之矽光電極，其結構之陣列圖形乃於 NDL 黃光室進 行。欲完成圖案之定義需先於晶圓表面塗佈一層光阻作為光罩，於此 我們乃利用自動化光阻塗佈及顯影系統(TRACK)執行(圖 2.6)，由 TRACK 於氧化層之上塗佈一層 800 nm 正型光阻。塗佈將先經 90℃
之去水烘烤，氣相塗佈六甲基二矽烷(hexamethyldisilazane；HDMS) 黏著劑改變晶圓表面之親水性，待晶圓冷卻至室溫，以轉速 3435 rpm 塗佈 800 nm 正型光阻於晶圓上，再以 90℃軟烤 90 秒去除溶劑以提 升附著力，並提升阻劑曝光與非曝光區顯影速率比降低阻劑內應力，
最後再冷卻至室溫提高製程穩定性。
圖 2.6 自動化光阻塗佈及顯影系統
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2.1.2.4 Exposure and development
由於實驗用光罩圖案屬於次微米等級，I-line 曝光系統具曝光過 程快速、穩定與產率高等優點，故曝光方式以光波長 365 nm 之 I-line 曝光系統，如圖 2.7。預期曝光圖形為 850 nm 之方格陣列，方格週期 為1.7 μm，方陣面積為 1 cm2。曝光後以 TRACK 進行顯影，顯影步 驟以 110℃烘烤 60 秒，目的為去除駐波效應。當入射光於阻劑內之 反射光束與入射至晶圓表面再反射之光束具π相位差產生干涉現象，
此駐波效應將造成阻劑於不同厚度所接收之曝光量不同，使顯影後阻 劑之輪廓形成擺動狀(swing)而非垂直。曝後烤利用熱能促使原本依不 同干涉狀況分佈之分解及未分解之感光化合物產生熱擴散，而使縱向 分佈較趨於均勻，以減少駐波效應之影響，進而提升曝光解析度。再 以旋轉塗佈顯影液，經 120℃硬烤 90 秒，去除殘餘溶劑，增進附著 力及薄膜品質以利後續之製程。
圖 2.7 I-line 曝光系統
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2.1.2.5 Etching oxide hard mask
光阻圖形定義完成，即可進行氧化層之硬遮罩蝕刻。此道製程選 用 NDL 乾蝕刻機台 TE5000(TEL)(如圖 2.8)工作，其原理為反應氣體 先以電漿形式存在，再透過外加電場給予方向性，使反應氣體可方向 性轟擊晶圓表面，最後再由氣流循環將反應蝕刻後氣體產物帶離反應 區域。反應過程為通入三氟甲烷(CHF3)及四氟化碳(CF4)與二氧化矽反 應生成四氟化矽(SiF4)氣體，再由排氣系統抽離，反應式如下：
𝑆𝑖𝑂2(𝑔) + 𝐶𝐹4(𝑔) → 𝑆𝑖𝐹4(𝑔) + 𝐶𝑂2(𝑔) (5) 三氟甲烷功用為降低氟碳比(F/C)，以增加蝕刻選擇比。參數如表 2-3 所示。
圖 2.8 TE5000 乾式蝕刻機
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表 1.3 蝕刻二氧化矽參數
2.1.2.6 Photoresist removal
一般蝕刻氧化層硬遮罩後，光阻層可不必直接移除便可對底層矽 基板進行蝕刻，並透過 NK1500 進行光學測厚，然本實驗矽晶圓欲進 行之蝕刻深度乃光學測厚無法鑑定，將藉由表面輪廓測厚儀(surface profiler)做鑑定。其原理乃藉由探針於樣品表面掃描，描繪出樣品表 面之形貌高低以得知樣品蝕刻深度，故若樣品表面含有光阻殘留，將 對探針進行汙染，故需先行將光阻移除。光阻移除將以 NDL 乾式光 阻去除機(Mattson Aspenll Asher)如圖 2.9，於 250℃以氧氣電漿轟擊樣 品 30 秒，此步驟可將大部分光阻去除，再將晶圓浸泡於 120℃濃硫 酸 10 min 使殘餘光阻完全移除，則矽晶圓上僅含氧化層之硬遮罩。
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圖 2.9 乾式光阻去除機
於此，為確保氧化層之硬遮罩圖形，將取一片矽晶圓以掃描電子 顯微鏡做鑑定。鑑定結果氧化層之硬遮罩與原設計相符，厚度 500 nm、
寬度與間距皆約為 850 nm，如圖 2.10 顯示影像與設計規格呈現一致。
圖 2.10 SEM hard mask cross-section
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2.1.2.7 Etching Si wire
本研究用矽微米柱之長度為 10 μm 乃於 NDL 南科廠進行，以誘 導耦合式蝕刻系統(inductive couple plasma etcher；ICP etcher)工作。
蝕刻氣體為六氟化硫(SF6)與氧氣(O2)，反應溫度維持-115℃±2℃，儀 器如圖 2.11 所示。
圖 2.11 ICP 蝕刻系統
2.1.2.8 Aluminum back deposition
為減少載子於光陰極後續背面黏接銅導線之傳輸路徑，我們於晶 圓背後進行磨薄加工，同時亦得考量晶圓後續清洗仍需旋乾，故晶圓 不能過度減薄否則元件會因高速旋轉而破碎於旋乾機內。綜合以上考
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量，矽基板蝕刻後將先由元發電子股份有限公司以機械研磨方式將晶 圓磨薄厚度至350 μm。待磨薄加工完成後，晶圓沉積背電極前需再 經後段-化學清洗工作站 (wet bench class 10k)依序利用硫酸溶液 (H2SO4/H2O2 = 4/1)與稀氫氟酸清洗 10 min。背電極將透過電子槍金屬 蒸鍍系統沉積金屬鋁(Al)500 nm，如圖 2.12。
圖 2.12 電子槍金屬蒸鍍系統
完成鋁背電極後將再由水平爐管進行氫燒結(H2-sinter)步驟，其 原理為將晶圓置於高溫環境(400℃，30 min)通以氫氣擴散至半導體與 金屬接面處，使氫離子與接面斷鍵結合。修補沉積金屬時，金屬原子 與矽原子間之斷鍵以降低其接觸電阻。