46
47
圖4.2 未經處理的 SiC 試片之 EDX 成分分析。
48
4-1 不同氣體比例對 SiC 材料蝕刻之影響
4-1-1 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，SF6
與 O2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 SF6與 O2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SF6流量至與O2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 SF6與 O2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
49
起伏不大，無薄膜裂痕現象，以EDX 測其 Al/F 比例為 0.87。SF6的 加入有助於蝕刻凹坑可得較好的平整度。
圖4.3 SiC 經 SF6、O2氣體比例 1：4 蝕刻半小時後之表面形貌
圖4.4 SiC 經 SF6、O2氣體比例1：4 蝕刻半小時後之 Cross-Section 示 意圖
50
圖4.5 SiC 經 SF6、O2氣體比例1：4 蝕刻半小時之 EDX 成分分析
圖 4.6
SiC 經 SF6、O2氣體比例2：3 蝕刻半小時後之表面形貌51
圖4.7 SiC 經 SF6、O2氣體比例2：3 蝕刻半小時後之 Cross-Section 示 意圖
圖 4.8
SiC 經 SF6、O2氣體比例3：2 蝕刻半小時後之表面形貌52
圖4.9 SiC 經 SF6、O2氣體比例3：2 蝕刻半小時後之 Cross-Section 示 意圖
圖 4.10
SiC 經 SF6、O2氣體比例4：1 蝕刻半小時後之表面形貌53
圖4.11 SiC 經 SF6、O2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SF6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
54
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 SF6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 SF6與 O2混合比例關係圖
55
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 SF6與 O2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 SF6、O2混合比例1：4 時，
量測蝕刻深度為52.21 nm，表面粗糙度為 3.69。當增加 SF6含量至與 O2混合比例為 2：3，經蝕刻後蝕刻深度提升為 107.18 nm，表面粗糙
度提高至1.95 nm，其表面形貌如圖 4.14。當 SF6、O2混合比例為 3：
2，其蝕刻深度再增加至 126.86 nm，表面粗糙度卻降低為 0.81 nm，
如圖4.15。再增加 SF6流量至與O2比例為 4：1，卻得到蝕刻深度 71.67 nm，表面粗糙度為 0.37 nm，經白光干涉分析出表面形貌如圖 4.16。
56
圖 4.13 SiC 經 SF6、O2比例1：4 蝕刻後之白光干涉檢測結果
圖 4.14 SiC 經 SF6、O2比例2：3 蝕刻後之白光干涉檢測結果
57
圖 4.15 SiC 經 SF6、O2比例3：2 蝕刻後之白光干涉檢測結果
圖4.16 SiC 經 SF6、O2比例4：1 蝕刻後之白光干涉檢測結果。
58
蝕刻深度與氣體比例關係如圖4.17，SF6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SF6、O2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SF6、O2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126.86 nm，若再增加 SF6含量，此比例便被破壞，蝕 刻結果便接近於使用純SF6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，
O2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O2的含量時，蝕刻材料表面因O2+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
59
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 SF6
與O2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 SF6、O2比例之關係圖
60
圖 4.18 表面粗糙度與 SF6、O2比例關係圖
61
4-2 添加 Ar 對 SiC 蝕刻之影響
4-2-1 添加 Ar 對 SiC 蝕刻表面形貌之影響
蝕刻反應氣體中，SF6與 O2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( SF6、O2、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 (SF6、O2、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(SF6、O2、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％(8. 8
62
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 (SF6、O2、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、SF6：3 sccm、
O2：0.8 sccm)
63
圖 4.20 SiC 經電漿蝕刻半小時後之 Cross-Section 示意圖(Ar：16.2 sccm、SF6：3 sccm、O2：0.8 sccm)
圖4.21 SiC 經電漿蝕刻後之 EDX 成分分析(Ar：16.2 sccm、SF6：3 sccm、O2：0.8 sccm)
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圖4.22 SiC 經電漿蝕刻後之表面形貌(Ar：14.3 sccm、SF6：4.5 sccm、O2：1.2 sccm)
圖 4.23 SiC 經電漿蝕刻半小時後之 Cross-Section 示意圖(Ar：14.3 sccm、SF6：4.5 sccm、O2：1.2 sccm)
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圖4.24 SiC 經電漿蝕刻後之表面形貌(Ar：12.4 sccm、SF6：6 sccm、
O2：1.6 sccm)
圖 4.25 SiC 經電漿蝕刻半小時後之 Cross-Section 示意圖(Ar：12.4 sccm、SF6：6 sccm、O2：1.6 sccm)
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圖4.26 SiC 經電漿蝕刻後之表面形貌(Ar：10.7 sccm、SF6：7.5 sccm、O2：1.8 sccm)
圖 4.27 SiC 經電漿蝕刻半小時後之 Cross-Section 示意圖(Ar：10.7 sccm、SF6：7.5 sccm、O2：1.8 sccm)
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圖4.28 SiC 經電漿蝕刻後之表面形貌(Ar：8.8 sccm、SF6：9 sccm、
O2：2.2 sccm)
圖4.29 SiC 經電漿蝕刻半小時後之 Cross-Section 示意圖(Ar：8.8 sccm、SF6：9 sccm、O2：2.2 sccm)
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圖4.30 SiC 經電漿蝕刻後之表面形貌(Ar：6.9 sccm、SF6：10.5 sccm、O2：2.6 sccm)
圖4.31 SiC 經電漿蝕刻半小時後之 Cross-Section 示意圖(Ar：6.9 sccm、SF6：10.5 sccm、O2：2.6 sccm)
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圖4.32 SiC 經電漿蝕刻後之表面形貌(Ar：5 sccm、SF6：12 sccm、
O2：3 sccm)
圖 4.33 SiC 經電漿蝕刻半小時後之 Cross-Section 示意圖(Ar：5 sccm、SF6：12 sccm、O2：3 sccm)
70
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
71
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 SF6、O2與Ar 混合氣體，固定 SF6
與O2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，SF6解離成 F 離子、S 離子，其中 F 離子與 SiC 形成固態 SiF（Wavelength：433.44 nm）與 SiF2
（Wavelength：390.15 nm），此 Si-F 產物較不穩定容易再與 F 形成氣 態SiF4；SiF、SiF2與SiF4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：350.06 nm），而氧氣解離為 O 離子並與底材上的游離碳形成CO（Wavelength：498.00 nm）與 CO
（Wavelength：403.50 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、CO2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：577.40 nm）與 Al2O3固體（Wavelength：
449.38 nm）沉積[49]。
72
73
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Al2O3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。
74
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
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圖4.38 Ar 加入比例與含 Al 產物光譜強度之關係
76
4-2-3 添加 Ar 對 SiC 蝕刻產生深度與表面粗糙度之影響
蝕刻反應氣體中，SF6與 O2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，電漿處理後以白光干涉儀量測實 驗後蝕孔表面粗糙度與蝕刻深度，當加入81％ Ar (SF6、O2、Ar 分 別為3、0.8、16.2 sccm)，可得量測蝕刻深度 33 nm，表面粗糙度為 1.57 nm，如圖 4.39。減小 Ar 流量至 71.5(14.3 sccm)並加入 SF6、O2 流 量4.5 與 1.2 sccm，經混合氣體電漿蝕刻可得蝕孔深度 41.9nm，表面 粗糙度0.58 nm，如圖 4.40。加入 62％(SF6、O2、Ar 流量 6、1.6、12.4 sccm)，量測得蝕刻深度為 47.8 nm，表面粗糙度為 0.27 nm，如圖 4.41。
加入53.5％ Ar (SF6、O2 、Ar 流量 7.5、1.8、10.7 sccm 進行電漿蝕 刻，測量得蝕刻深度65 nm，表面粗糙度為 0.46 nm，如圖 4. 42。圖 4.43 為加入 44％ Ar (SF6、O2、Ar 流量各 9、2.2、8.8sccm)之蝕刻後
表面3D 圖，蝕刻深度為 91.45 nm，表面粗糙度為 0.86。加入 34.5％
Ar(SF6、O2 、Ar 流量各 10.5、2.2、6.9 sccm)，得蝕刻深度為 94.25 nm，
蝕刻凹坑內表面粗糙度為1.10 nm，如圖 4.44。加入 25％Ar (SF6、O2 、 Ar 流量 12、3、5 sccm)，蝕刻後深度為 76.35 nm，表面粗糙度為 1.22 nm，如圖 4.45。