第四章 實驗設計
4.1 蝕刻方法與選擇
在半導體製程當中，蝕刻是一種將晶圓表面材料移除所使用的製程方式，而 蝕刻的種類又分成化學性蝕刻物理性蝕刻以及反應式離子蝕刻。在討論蝕刻種類 之前，我們先定義以下名詞：
(1)蝕刻速率(Etch Rate)：蝕刻製程中物質被移除之速率，定義如下 蝕刻速率=蝕刻深度
蝕刻時間
(2)選擇比(Selectivity)：蝕刻對不同材料的蝕刻速率之比例 選擇比=材料A 的蝕刻速率
材料B 的蝕刻速率
(3)蝕刻輪廓(Profile)：蝕刻輪廓為蝕刻製程中最重要的特徵，蝕刻對元件 會有顯著的影響，以本論文為例，利用光阻與氮化矽來當蝕刻遮罩，若 光阻或氮化矽蝕刻輪廓有過蝕或不平整的現象，將會影響到整體元件的 良率，以圖 4.1為例，不當的蝕刻輪廓造成 DBR 鏡面粗糙與不平整
36
圖 4.1 不平整的 DBR 鏡面
在討論完上述蝕刻相關的名詞後，我們將先前所提到的三種蝕刻方式的基本 原理並將其優缺點做比較整理於表 4.1。
(1)化學性蝕刻
又稱之為濕式蝕刻，技術也最早被開發，主要藉由材料與特定溶液產生化學 反應，因而去除未被遮罩覆蓋部分的材料，其優點為選擇比較佳，但因化學反應 本身不具備方向性，因此濕蝕刻為等向性蝕刻，當蝕刻圖形尺寸較小時(通常約 3 微米以下)，化學性蝕刻的效果會比較差，但對於大寬度圖形而言，化學性蝕 刻有較佳的選擇比。本論文中的脊狀波導部分即是使用濕蝕刻的方式來製作，以 硫酸與雙氧水溶液來蝕刻，蝕刻速率約為 10~15nm/sec。
(2)物理性蝕刻
物理蝕刻屬於乾式蝕刻的一種，以純物理的轟擊性蝕刻，材料受到離子束的 轟擊並從表面脫離，純物理蝕刻速率通常較慢，而且選擇比也較差，但因具有非 等向性蝕刻輪廓的特性，因此可以朝垂直方向進行蝕刻。本文中蝕刻氮化矽圖形
37
所使用的聚離子束蝕刻(FIB)方式就是類似物理性蝕刻，使用鎵離子轟擊樣品表 面來進行蝕刻，但與一般常用的物理性蝕刻差異在於 FIB 並不需要使用光阻之類 的遮罩，而是直接使用電磁透鏡將離子束聚焦於要蝕刻的部位。
(3)反應性離子蝕刻(Reactive Ion Etch，RIE)
RIE 為最廣泛被使用的蝕刻方式，是一種同時包含物理性蝕刻與化學反應性 蝕刻的蝕刻方式，因此同時具備了非等向性蝕刻與高選擇比等優點。反應性離子 蝕刻主要是靠化學反應來達成，因此有較高的選擇比，在蝕刻中加入了物理性的 離子轟擊，藉由離子轟擊來打斷表面的化學鍵，藉此增加蝕刻速率，離子轟擊亦 能將待蝕刻物表面累積的產物帶走，使待蝕刻物表面能再次產生化學反應，並完 成了非等向性的蝕刻。本論文中的 DBR 鏡面即是使用 ICP-RIE 的方式製作，使用 氬離子進行離子轟擊，並以 SiCl4當作化學反應之氣體，蝕刻速率約為 10nm/sec。
表 4.1 不同蝕刻方式的特性比較表
38