1.1 前言
隨著現代科技的進步，半導體元件要求處理速度使得元件尺寸越做越小，
半導體製程的控制必然受到嚴格考驗，而首要面臨的挑戰便是蝕刻製程。蝕刻 製程分為濕式蝕刻與乾式蝕刻，現今半導體製造產業以乾式蝕刻為主要技術。
濕式蝕刻(Wet Etching)是利用特定的溶液進行化學反應以去除未被光阻遮蓋的薄 膜，製程簡單且速率快，對於膜層間具較佳之選擇性，但是容易造成蝕刻過度、
底層被掏空及側邊被蝕的等向性蝕刻(Isotropic)[1]，因而對於尺寸越小的元件會 造成嚴重影響。濕式蝕刻後來以乾式蝕刻(Dry Etching)取代。乾式蝕刻是利用電 漿的物理反應進行薄膜蝕刻，其具有非等向性(Anisotropic)的特色，能夠蝕刻出 與光罩上相同的圖案。電漿因材料處理上的特性，在半導體製程中廣泛被應用，
如 乾 式 蝕 刻 （Dry Etching） 、 表 面 清 洗 （Surface Cleaning） 、 濺 鍍
（Sputtering）、物理氣相沈積（Physical Vapor Deposition，PVD）、電漿輔助化 學沈積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）等為主要相關技 術，尤其在元件之間距離越精密的製程需求下，高均勻度及高效率的電漿源才 能符合製程需求。電漿的形成是由注入之工作氣體外加電磁場，使分子游離產 生的電子獲得能量，撞擊原氣體後產生解離、激發或游離而形成離子、電子、
原子及原有氣體之流體，之後由離子轟擊載台上之晶圓進行製程。電漿特性受 到如電磁場大小、電漿反應器之設計、腔體壓力大小以及加熱器控制腔體壁面 溫度等因素影響。為了提高蝕刻率及避免等向性蝕刻發生，本文利用數值模擬 分析的流體式模型探討電漿行為，並調整相關參數對於電漿流動的影響，因此 提高對於電漿環境的控制能力，另外電腦輔助模擬可以細分更多參數，有別於 實驗觀察，此方式能夠省時、節省成本並達到製程最佳化。
1.2 研究動機與目的
電漿源系統複雜且改變電漿腔體環境的因素有很多，譬如調整線圈電流或 偏壓大小，會影響電子吸收的能量，接著影響電漿中粒子密度變化，進而影響 蝕刻率及均勻度，除了電流及偏壓之因素外，操作壓力、腔體溫度、氣體配比 及入口流量等，對於電漿密度皆有直接的關係，而參數之間也會互相影響，如 入口流量會影響壓力分佈，而壓力會影響氣體溫度，因此需要進行多組實驗，
但同時會消耗更多時間及成本，且蝕刻過程不易量測腔體內部之粒子密度，需 透過晶圓表面蝕刻結果推測其均勻度，而電漿模擬能分別調整各種參數，短時 間透過計算得到模擬結果，預先了解參數之間的關係，重複不斷地修正及計算，
得到最佳數據以改善實驗。
研究電漿腔體內電漿的特性，對於製程設計與應用是一重要課題，本文目 的即探討蝕刻腔體內電漿流動之密度分佈，以助於改進參數調整使其產生高密 度且均勻的電漿源。本文使用模擬計算技術，因此能調整不同壓力、溫度、入 口氣體比例及入口流量等參數，觀察載台上之粒子密度大小，推測其蝕刻率及 其均勻度。至今已有相當多的研究證實上述之因素，而影響電漿密度及均勻度 的原因其實不只這些，故本文主要針對控制電漿均勻性之載台轉速做分析，發 現載台靜止時之密度較旋轉時低，且密度並非隨著轉速升高而升高，而造成此 結果的過程則需使用數值模擬，觀察載台轉速大小對於電漿在腔體內流動之影 響，以及電漿密度及均勻度。 最後本文將模擬結果與文獻做比較，再將得到相 同趨勢之結果做其他參數分析，之後改變入口氣體性質，觀察相同參數對於不 同工作氣體之模擬結果，預期可了解電漿之蝕刻製程，可用於改善環境參數，
有效率地進行實驗。
1.3 文獻回顧
1992年，Surendra與Graves[2]以混合式模擬的方式，使用蒙地卡羅計算粒子 的運動行為，模擬帄板式DC直流氫氣電漿，在操作壓力為20 ~ 30 Torr，溫度為 1000 K的高溫高壓環境下，觀察電漿粒子之分佈，並且利用Langmuir probe探針 量測實驗數據驗證模擬結果。
1993年，Lymberopoulos與Economou[3]使用一維流體式模擬，模擬帄板式氰 氣電漿，觀察在有無激發態氰氣粒子時，對於電漿密度之影響，由結果發現當 模擬有激發態氰氣粒子時，電漿密度會有提升之趨勢，說明電漿密度的大小與 激發態粒子有關。
1995年，Miller、Hebner[4]等人以實驗量測的方式，所使用之電漿系統為 GEC RF Reference Cell，且利用電流、電壓及Langmuir 探針等量測工具，探討高 密度電感耦合式電漿源。在不同功率下量測氰氣及氯氣電漿的電漿密度、電子 溫度及電漿電位等參數，並取得腔體之軸向和徑向的分佈。
圖 1.1 GECICP 電漿反應器示意圖
1998年，Schaepkens、Bosch、Standaert 與Oehrlein[5]等人以實驗量測的方 式，探討電感耦合式碳氟(CHF3、C3F6)電漿， 其利用 Langmuir 探 針及optical emission spectroscopy(OES)等儀器，觀察不同溫度時腔體壁面上電漿之密度變化。
由量測結果得到，在蝕刻過程中壁面溫度會影響蝕刻率，且電漿中沉積於壁面 上的碳氟粒子會隨著溫度上升而減少，相對地溫度越低時則會增加，故在蝕刻 過程中可得知，有效的控制壁面溫度，能夠改善製程的穩定性。
2000年，Donnelly 與Malyshev[6]以實驗量測的方式，探討電感耦合式氯氣 電漿之中性氣體溫度，由結果可以得知在進行蝕刻製程時，控制中性氣體溫度
1.4 本文架構
本文主要分為五個章節，第一章說明目前半導體產業之趨勢，介紹蝕刻方 式與特性，敘述研究動機與目的，介紹文獻回顧中學者的實驗與模擬，整理出 對於本文有相關的研究。第二章是簡單的介紹電漿的組成與應用，電漿蝕刻的 方式、效果及優缺點，敘述電漿模擬的主要三種類型，並比較三者之間的模擬 機制，最後介紹影響蝕刻環境的因素，提出本文對於電漿均勻度之影響作為主 要分析。第三章則詳細描述本文所使用之數值方法，包含統御方程式之條件假 設、設定邊界條件、計算方程式及收斂條件，最後是模擬的求解流程。第四章 為結果與討論，首先簡單介紹本文所比對驗證之文獻，敘述模型尺寸及邊界條 件設定，比較網格數誤差值以確定網格數量，接著設定文獻之參數進行模擬運 算，並將結果與文獻比較，驗證本文之方法是否正確；隨後加入不同的參數，
觀察電漿的密度大小及其分佈。本文最後為結論與未來工作，統整結果與討論 所得到之較佳數據，並提出未來可以改進的方法。