蝕刻率量測方式

蝕刻率(Etch Rate):

蝕刻深度(Etch Depth)/蝕刻製程時間(Etch Process Time) = D/T D：定義為蝕刻深度(Å)，亦即蝕刻後所量測出之斷差資料。

T：定義為蝕刻製程時間(sec)。

蝕刻深度 D

蝕刻率 Etch Rate(以下簡稱 E/R)在蝕刻製程中可以細分為 Spray E/R²、Puddle E/R、Transfer Loss。計算方法如下:

Etch Depth Spray Time Puddle Time

D1 Ts1 0

Item Spray Time (sec) Puddle Time (sec)

1 10 0

Spray E/R = (D2-D1-D5)/(Ts2-Ts1) (2) Thickness(Å) 4000

黃光製程條件

Pre bake Time(sec) 140 Pre bake Temperature(℃) 140

蝕刻製程條件

2.4.2 MoNb 蝕刻速率與 HNO3 濃度關係實驗條件如下表

薄膜製程條件

Power(kW) 70 Ar Flow(sccm) 200 Thickness(Å) 4000

黃光製程條件

Pre bake Time(sec) 140 Pre bake Temperature(℃) 140

蝕刻製程條件 Temperature(℃) 40

2.4.3 MoNb 單層結構 Taper 之研究

2.3.4、2.4.3 之研究結果，調整 Spray & Puddle 秒數。觀察不同製程時間對於 Taper 之變化。藉由 SEM 觀察 Taper 角度 ，了解溫度、濃度、Process Time 與 Taper 之關係。並將所有條件最佳化求得最佳 Taper Profile 。

三、實驗結果與討論

Thickness(Å) 4000

黃光製程條件

Pre bake Time(sec) 140

Pre bake Temperature(℃) 140

蝕刻製程條件

MoNb Etch Rate HNO3= 6.5wt%

Temperature(℃) 25 30 33 40 45

Etch Rate(Å/sec) Spray 0 0 7.5 13.5 18.1

Puddle 0 0 5.2 7.5 8.8

表 3-2、MoNb 蝕刻速率與蝕刻液溫度關係實驗結果

圖 3-1、MoNb 蝕刻速率與蝕刻液溫度關係實驗結果

從圖 3-1 實驗結果我們可以確認，MoNb 在 HNO3=6.5wt%下需要在 30℃以上 才會開始進行反應蝕刻。且隨著溫度變化，可以發現 Spray 在溫度改變蝕刻速度 變動較大。溫度升高可以加速化學反應的進行速度，如此趨勢無論是在何種蝕刻 模式當相同。由實驗結果也可發現 Spray 噴灑蝕刻方式明顯蝕刻率高於 Puddle 蝕刻方式。確認此兩種蝕刻方式如圖 1-12、1-13 所示。我們可以發現以下幾點。

圖 1-12、Spray 設備示意圖

圖 1-13、Puddle 設備示意圖

(a) Spray 模式利用大量藥液進行噴灑，可快速置換鋁酸藥液。也就是有大量 反應物與蝕刻標的進行反應。

(b) Puddle 模式利用藥刀將玻璃表面塗佈鋁酸藥液。也就是說在玻璃表面蝕 刻液體的量為固定。

(c) 由化學反應原理可得知(如 1.4.3 蝕刻技術所述)，大量反應物進行蝕刻且 蝕刻標的物繼續存在時蝕刻反應繼續進行。反之如果反應物為固定，當反 應物消耗完畢後蝕刻化學反應即停止。這說明了圖 4-1 實驗結果:在同樣蝕 刻液溫度與濃度下 Spray 模式較 Puddle 模式之蝕刻率快速之原因。

(d) Spray、Puddle 模式蝕刻速率示意圖 3-2 可表示各方向之蝕刻速率。因 Spray 為高壓噴灑方式故向下蝕刻速率較高。而 Puddle 模式則為等方向性 之蝕刻特性。

圖 3-2、Spray、Puddle 模式蝕刻速率示意圖

3.1.2 MoNb 蝕刻速率與 HNO3 濃度關係實驗

薄膜製程條件

Power(kW) 70

Ar Flow(sccm) 200

Thickness(Å) 4000

黃光製程條件

Pre bake Time(sec) 140 Pre bake Temperature(℃) 140

蝕刻製程條件

圖 3-3、MoNb 蝕刻速率與 HNO3 濃度關係實驗結果

從圖 3-3 實驗結果可以發現，Spray 蝕刻速率隨著 HNO3 濃度上升而明顯上 升，Puddle 蝕刻速率從數據上可以發現還是有隨著濃度上升而些微上升，但幅 度明顯小於 Spray。而 HNO3 濃度上升蝕刻率上升現象與 1.3.3 相關 Mo & Al Etch Rate 以及 Taper 研究在 BULLETIN OF THE KOREAN CHEMICAL SOCIETY 中

Dissolution of Mo/Al bilayers in phosphoric acid[4]可得到相同的實驗結 果。而 Puddle 模式蝕刻率小於 Spray 的趨勢不因為 HNO3 濃度改變而有不同的結 果。

綜合比較溫度以及 HNO3 濃度變異實驗結果，可以得到，無論是溫度上升或 是 HNO3 濃度提升在 Spray 蝕刻方式下蝕刻速率可以明顯上升。但在 Puddle 方式 下無論是濃度或是溫度上升蝕刻速率依舊維持在 7~8Å/sec 左右。可以說明在蝕 刻反應中，反應物的快速置換為主要決定化學反應速度的關鍵因子。Puddle 模 式因為反應物為定量，所以溫度提升或是濃度提升對於蝕刻速率無明顯效益。如 果我們想要增加此兩種蝕刻模式蝕刻率的差異，可以藉由蝕刻液溫度或是 HNO3 濃度提升的方法來達到目的。

3.1.3 AlNd 與 MoNb 間蝕刻率變化差異性綜合比較

Material AlNd MoNb

HNO3(wt%) 5.0 6.5 6.5 6.5 5.0 6.5 6.5 6.5

Temp(℃) 40 33 40 45 40 33 40 45

Spray Etch Rate(Å/sec) 47.1 31.9 49.5 72.1 11.7 7.5 13.5 18.1 Puddle Etch Rate(Å/sec) 46.7 32.8 44.9 63.7 7.3 5.2 7.5 8.8 Transfer Loss(Å) 516.8 0.0 701.5 957.9 0.0 0.0 0.0 324.3

表 3-4、AlNd 與 MoNb 間蝕刻率變化差異性綜合比較表

圖 3-4、不同溫度下 AlNd 與 MoNb 間 Spray 蝕刻率比較圖

從圖 3-4 可以發現隨著溫度上升，無論是 AlNd 或是 MoNb 材料皆可加速蝕

刻反應的進行。換言之蝕刻液溫度提升可以加速化學反應速率且不會因為材料不 同而改變此現象。且由實驗結果可以發現此兩種材質對於溫度變化後之蝕刻率變 化量不同。AlNd 對於溫度效應較 MoNb 明顯。且溫度越高 AlNd 跟 MoNb Spray 蝕刻速率差異越趨明顯，在 45℃下幾乎快了 3.98 倍。從化學反應式中我們可以 得知。MoNb 對於 HNO3 之需求量為 AlNd 材料之兩倍。故溫度效應下對於化學 動能提升的效益來說 MoNb 僅為 AlNd 材料的二分之一。與圖 4-3 結果趨勢相吻 合。對於製程運用來說，如果要縮小這兩種材料 Spary 蝕刻速率的差異化可以考 慮降低溫度。但尚需考慮到 MoNb 在 30℃以下蝕刻率趨近於零。

圖 3-5、不同溫度下 AlNd 與 MoNb 間 Puddle 蝕刻率比較圖

從圖 3-5 可以發現隨著溫度上升，AlNd 跟 MoNb Puddle 蝕刻速率差異越趨 明顯，在 45℃下幾乎快了 7.24 倍。此趨勢與 Spray 模式實驗結果相同。結果說 明了溫度的效應無論在 AlNd 與 MoNb 材料上的差異以及 Spray、Puddle 模式上 的差異都有一致的現象。換句話說，如果要縮小這兩種材料 Puddle 蝕刻速率的 差異化可以考慮降低溫度。但尚需考慮到 MoNb 在 30℃以下蝕刻率趨近於零。

所以既使降低溫度可以減少差異化。但因材料本身特性，故在蝕刻速率上還是有 明顯的差異化表現。差異將近 4 倍。

圖 3-6、不同溫度下 AlNd 在不同蝕刻模式下蝕刻率比較圖

從圖 3-6 可以發現，AlNd 在 33℃時 Spray 與 Puddle Etch Rate 幾乎相同，

隨著製程溫度上升，蝕刻率差異化越趨明顯。換句話說，如果想要拉大 Spray 與 Puddle 蝕刻率的差異性，製程溫度的調升是一種方法。但此差異化並不明顯。

由研究結果我們可以得知製程溫度與蝕刻模式此兩種因子對於 AlNd 材料之蝕刻 率變化。製程溫度才是 AlNd 的關鍵因子。

圖 3-7、不同溫度下 MoNb 在不同蝕刻模式下蝕刻率比較圖

從圖 3-7 得知，MoNb 在 Spray 與 Puddle 蝕刻率的差異性，與 AlNd 有接 近相同的趨勢，也就是說製程溫度越低，這兩種 Etch Mode 差異化越低；製程 溫度越高，差異化越趨明顯。這現象與 4.1.2 研究結果相同。MoNb 與 AlNd 材 料相比，無論是蝕刻模式或是溫度對於蝕刻率影響都有較大的變化。對於製程應 用來說我們可以藉由溫度的改變去拉大 MoNb 材料在 Spray 與 Puddle 模式蝕刻 率的差異。

圖 3-8、不同溫度下 AlNd 與 MoNb 在不傳送模式下蝕刻率比較圖

圖 3-8 為觀察溫度變化對於 AlNd 以及 MoNb 在設備機台傳送時經過蝕刻槽體 不停留所造成的蝕刻深度變化。可以發現在製程溫度 33℃時，Transfer Loss 幾 乎可以忽略不計。此現象是因為製程溫度低時，設備內部蝕刻反應物之蒸氣量幾

的變化比較表

表 3-5 為此次實驗結果，為方便比較以及找尋其相對應關係將之畫為下方圖 表進行研究比對。

圖 3-9、不同濃度下 AlNd 與 MoNb 在 Spray 模式下蝕刻率比較圖

圖 3-10、不同溫度下 AlNd 與 MoNb 在 Spray 模式下蝕刻率比較圖

由圖 3-9、3-10 可以觀察，在製程溫度固定在 40℃下使用 Spray 模式進行 蝕刻，則 HNO3 濃度上升，AlNd 與 MoNb 蝕刻速率均呈現緩慢上升趨勢。實驗 結果與 1.4.3 且在這兩種材質之蝕刻率差異，並不會因為 HNO3 濃度上升而增加 其差異化。故如與圖 3-9 比較可以發現。在 Spray 模式下，如要增加兩種材料蝕 刻速率差異性。增加製程溫度為最有效之作法。換言之，假設我們想要減少 AlNd 與 MoNb 材料間蝕刻速率的差異性。又想要提升蝕刻速率，就要降低製程溫度、

提高 HNO3 濃度。

圖 3-11、不同濃度下 AlNd 與 MoNb 在 Puddle 模式下蝕刻率比較圖

圖 3-12、不同溫度下 AlNd 與 MoNb 在 Puddle 模式下蝕刻率比較圖

由圖 3-11、3-12 可以觀察，在製程溫度固定在 40℃下使用 Puddle 模式進 行蝕刻。HNO3 濃度上升，AlNd 與 MoNb 蝕刻速率均呈現緩慢上升趨勢。且在 這兩種材質之蝕刻率差異。會因為 HNO3 濃度上升而些微增加(約 5A/sec)但差 異並不顯著。與圖 3-11 比較可以發現，在 Puddle 模式下如要增加兩種材料蝕刻 速率差異性，增加製程溫度為最有效之作法。換言之，假設我們想要減少 AlNd 與 MoNb 材料間蝕刻速率的差異性、又想要提升蝕刻速率，就要降低製程溫度、

提高 HNO3 濃度。這種作法在 Spray 以及 Puddle 模式均可得到相同效果。

圖 3-13、不同濃度下 AlNd 與 MoNb 在 Transfer 模式下蝕刻率比較圖

由圖 3-13 可了解，在沒有任何蝕刻模式下，AlNd 容易蝕刻。但在 MoNb 材 料，幾乎沒有蝕刻。這在我們進行蝕刻製程條件的設定時可以提供重要的參考資 料。也就是說如果材料是 MoNb 時，傳送所造成的 Film Loss 幾乎可以忽略不計。

但 AlNd 就必須考量到這點。

圖 3-14、AlNd 不同濃度下 Spray 與 Puddle 模式比較圖

圖 3-14 表示，AlNd 在 Spray 模式與 Puddle 模式下蝕刻率無論 HNO3 濃度 為何均差異不大。

圖 3-15、MoNb 不同濃度下 Spray 與 Puddle 模式比較圖

圖 3-15 可以發現 MoNb 隨著 HNO3 濃度上升再 Spray 模式與 Puddle 模式間的

HNO3 濃度↑Spray 模式蝕刻率↑ Puddle 模式蝕刻率↑ Transfer Loss↑

Spray 模式與 Puddle 模式蝕刻率差異化：

HNO3 濃度↑蝕刻率差異化↑(由 1Å/sec 拉大到 7Å/sec、Puddle 蝕刻率幾乎無變 化但 Spray 蝕刻率明顯變大)

AlNd 與 MoNb 蝕刻率差異: THE KOREAN CHEMICAL SOCIETY 中 Dissolution of Mo/Al bilayers in phosphoric acid[4]研究結果相吻合。我們已經清楚了解 AlNd 以及 MoNb 兩種 Film 材料各自 先我們選用 HNO3=2wt% 濃度之 Al Etchant。製程溫度設定在 40℃。MoNb 膜厚設 定在 1500Å。由先前的實驗可知，此製程條件下 MoNb Spray Etch Rate=8Å/sec；

Puddle Etch Rate=6.9 Å/sec。故 Just Etch Time 秒數設定如下：

T^just= 1500/8= 187.5sec (因實驗設備秒數僅能為整數故調整為 188sec)

Spray 區域主要進行 Film 蝕刻、而 Puddle 區域主要進行過蝕刻以及修飾 Taper，

故我們先將 Over Etch 設定為 100%。所以初始 Spray、Puddle 秒數如下:

T^spray=188sec T^puddle=188sec

實驗結果如下:

表 3-6、T^spray/T^puddle=188sec/188sec Taper 實驗結果表

圖 3-16、SEM 取樣點位示意圖

圖 3-17、T^spray/T^puddle=188sec/188sec Point1 Taper

圖 3-18、T^spray/T^puddle=188sec/188sec Point2 Taper

由圖 3-17、3-18 SEM 圖片分析，可以觀察到下面幾個現象:

T^spray=188sec T^puddle=94sec

實驗結果如下

表 3-7、T^spray/T^puddle=188sec/94sec Taper 實驗結果表

圖 3-19、T^spray/T^puddle=188sec/94sec Point1 Taper

圖 3-20、T^spray/T^puddle=188sec/94sec Point2 Taper

將 Puddle 秒數縮短，可以明顯由圖 3-19、3-20 SEM 圖面中觀察到光阻上掀

將 Puddle 秒數縮短，可以明顯由圖 3-19、3-20 SEM 圖面中觀察到光阻上掀