2-1 電漿簡介
2-1-1 電漿之生成
最早在 1920 年代，Langmuir 等人首先研究電漿中的現象，而在 1929 年 Langmuir 使用了『plasma』來敘述此一離子化氣體的現象。因其型態不同於固、
液、氣三態，故電漿稱為物質的第四態，就物理角度而言，電漿是一團帶正、負 電荷之粒子與中性氣體分子所組合而成的狀態，而且在正常狀況下，正電荷之總 數等於負電荷之總數。在半導體製程的電漿系統而言，電漿中的化學反應與電漿 蝕刻結果取決於設備操作變數，例如：操作壓力、氣體種類、輸入功率、射頻頻 率、腔體結構…等。電漿的產生主要是由電子從外加電磁場來獲得能量，並藉著 非彈性碰撞來產生激發（Excitation）、解離性附著（Dissociative Attachment）、
解離（Dissociation）、離子化（Ionization）、再結合（Recombination）反應，
藉以生成二次電子、原子、分子、離子等物質，然而在解離碰撞中，電子可能與 氣體離子有再結合作用，或者因為漂移及擴散而離開電場範圍等原因消失，因此 當電子產生與消失的速率相等時，此時的電漿即可以達到穩定狀態。
以 Ar 作為說明，當電子獲得外界之能量成為高動能電子時，與碰撞氣體原 子或分子產生游離，形成一正離子和一電子之反應如 2-1 式：
e Ar Ar
e+ → + +2 （2-1）
但電子在碰撞前的能量，需滿足電子在電場中累積到大於離子化所須的最低能量
（Threshold Energy），此能量的累積量取決於電場和平均自由徑（Mean Free Path）
的大小。平均自由徑是指電子平均移動多少距離就會碰撞到一個原子或分子，電 子每經過一次碰撞，原先累積的能量就會消失，而需重新累積起，其中平均自由
徑和壓力成反比（ cm P ng i
i 330
1 1 ≈
= σ
λ ，n 表示中性氣體密度、g σi為碰撞截面、
P 表壓力（Torr））。因此，為使電子具有足夠的能量來游離中性氣體如反應 2-1 式，通常需施加能量於低氣壓的氣體內，而一旦電子的能量足夠發生游離反 應時，在反應 2-1 中所產生的二個電子，會再被電場加速進一步產生解離而形成 四個電子，如此周而復始。然而電子和正離子亦會再結合，再結合反應表示如下：
) ( photon h
Ar Ar
e+ + → + ν （2-2）
因此，當游離速率和結合速率相等時，電漿中的電子、離子對濃度即達到一穩定 值，而形成一穩定狀態的電漿，電漿皆會放出光，即由反應 2-2 或 2-3 所造成。
ν h Ar Ar
Ar
e+ → *(metastable)→ + （2-3）
電漿中所放出的光譜波長一般在可見光的範圍內，而波長與電漿內氣體的種類有 極密切的關係。2-3 式為當原子或分子吸收外來的能量後，常會使一個或數個價 電子從低能階遷躍到較高的能階，稱為激發，由於在高能階的電子不穩定，遲早 會落回基態，而放出光子，稱為降激，放出的光子就是量測得到的電漿光譜，不 同的粒子皆有特定的波長光譜，利用此光譜強度及特定波長即可判斷反應腔體中 粒子密度及種類【19】。
2-1-2 電漿蝕刻機制
而在積體電路製造過程中，常需要在晶圓上定義出極細微尺寸的圖案，這些 圖案主要的形成方式是藉由蝕刻技術來達成，將微影（Micro-lithography）後所 產生的光阻圖案轉印至光阻下的材質上，以形成積體電路的複雜架構。電漿蝕刻 方式可區分為物理性蝕刻及化學性蝕刻兩類，而依其反應機制又可細分四種蝕刻 型態：
1、純物理性離子轟擊蝕刻（Sputtering）：
純 物 理 性 蝕 刻 可 視 為 一 種 物 理 濺 鍍 方 式 ， 它 是 利 用 輝 光 放 電 （ Glow Discharge），將氣體如Ar ，解離成帶正電的離子，再利用偏壓將離子加速，濺 擊在被蝕刻物的表面，而將被蝕刻物質原子擊出。此過程乃完全利用物理上能量 的轉移，故稱之物理性蝕刻。其特色為離子撞擊擁有很好的方向性，可獲得接近 垂直的蝕刻輪廓，但缺點是由於離子是以撞擊的方式達到蝕刻的目的，因此光阻 與待蝕刻材料兩者將同時遭受蝕刻，對於底層物質的選擇比很低，且被擊出的物 質往往非揮發性物質，而這些物質容易再度沉積至被蝕刻物薄膜的表面或側壁。
2、純化學反應性蝕刻（Pure Chemical Etching）：
純化學反應性蝕刻則是利用電漿產生化學活性強的自由基，此自由基擴散至 待蝕刻物質的表面，與待蝕刻物質反應產生揮發性之反應生成物，並被真空設備 抽離製程腔體，因此種反應完全利用化學反應來達成，故稱化學反應性蝕刻。此 種蝕刻方式類似於濕式蝕刻，只是反應物及產物的狀態由液態改變為氣態，並利 用電漿來促進蝕刻的速率。因此純化學反應性蝕刻擁有類似於濕式蝕刻的優點及 缺點，即高選擇比及等向性蝕刻。
3、離子能量催化蝕刻（Ion Energy Driven Etching）：
離子能量催化蝕刻，此反應包含蝕刻反應物及高能離子，電漿中的高能離子 會加強蝕刻反應，離子被電漿鞘層（Sheath）中電場加速撞擊薄膜表面，破壞薄 膜表面原子結構與原子間之鍵結，加速了薄膜表面材料的化學反應，此產物容易 揮發成氣態分子，被真空系統抽離，因此蝕刻率較純化學性蝕刻為快。
4、抗蝕層離子蝕刻（Ion Enhanced Inhibitor Etching）：
抗蝕層離子蝕刻，薄膜表面在蝕刻反應進行時，同時會有鈍化反應在進行，
這些鈍化反應的生成物會覆蓋在薄膜表面形成抗蝕層，阻止蝕刻反應物和薄膜反
應，此時離子在電漿鞘層中被電場加速加速，產生高能離子撞擊薄膜表面，可以 清除抗蝕層產生高揮發性氣體產物離開薄膜表面，因在側壁的抗蝕層不易被清 除，因此蝕刻凹槽底部處的蝕刻率較高，可以得到較佳的蝕刻側壁。但如果蝕刻 側壁的抗蝕層厚度持續增加則會導致蝕刻測壁的角度增加，進而影響蝕刻結果
【20】。
2-2 變壓耦合式電漿源（TCP）
2-2-1 高密度電漿源
電容耦合式電漿源是最早利用射頻技術所發展出來的電漿系統，其利用加在 相鄰兩側電極板上之射頻電壓以產生電漿，然而操作方式功率主要消耗在鞘層的 電壓降，導致產生電漿的功率並不是很好，電漿密度通常在~109 −1010cm 間，−3 為提高電漿密度通常將其工作壓力操作 20mTorr至 2Torr間，因此反應主要掌控 於自由基，製程可控性降低；而在高密度電漿蝕刻系統中，離子密度與活性基密 度相近，離子密度在1011cm 以上，因此製程反應可掌控於離子。高密度電漿蝕−3 刻的優點為：
1、低壓下操作，粒子間碰撞的平均自由徑大，因此離子通過鞘層途中與其他粒 子間碰撞機率減小，故有較佳的垂直性，如圖 2-1 所示。
2、高離子密度使得離子主控蝕刻過程，因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer) 的側壁保護，製程將變得更乾淨，且蝕刻後的輪廓更具非等向性。
3、高離子密度可減少偏壓之使用，並且相對於電容式電漿源，此高密度電漿源 有較低之電漿電位（Plasma Potential）約~10V，因而降低或消除電漿所導致 的元件損傷，而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加。
4、由於離子密度與離子能量並無關係，因此製程可變性加大。
電容式電漿源與高密度電漿源特性比較如表一。產生高密度電漿的基本原則 為讓自由電子在反應腔體內所滯留的時間變長並獲得能量，如此一來便能增加自 由電子與氣體分子間的碰撞機率，電漿的解離程度才能提高。增加自由電子在反 應腔體內所滯留時間的方法可為：
a、加入固定的磁場
b、利用磁場來形成環狀的電場
因此高密度電漿源有：電子迴旋共振（ECR）、感應耦合式電漿（ICP）或變壓 耦合式電漿（TCP）、磁場強化活性離子蝕刻（MERIE，Magnetic Enhanced Reactive Ion Etching）…等數種型態【21】。
2-2-2 變壓耦合式電漿源加熱機制
目前最普遍使用的高密度電漿源為變壓耦合式電漿源，使用射頻功率源，結 構如圖 2-2 所示，變壓耦合式電漿源主要的工作原理為在腔體外的線圈經通入一 時變電流，經由安培定律（Ampere' law）2-4 式： s
t J E
B coil
∂ +∂
=
×
∇ v
v v
0
1
µ （2-4）
其中 Bv
為感應磁場， Jv
為線圈電流密度，µ0為真空中的磁導率。當感應線圈通 入為 θ 方向時變的電流時，在腔體內感應出 r 方向與 z 方向的磁場，再由法拉 第定律（Faraday' law）2-5 式： s
t E B
∂
−∂
=
×
∇ v v
（2-5）
其中 Ev
為感應電場，可以發現感應的 r、z 方向時變磁場會感應出 θ 方向的感應 電場，工作氣體的游離電子經此 θ 方向的感應電場加速以獲得能量，並發生游 離再結合等反應，達到自我維持（Self-sustain）的狀態。電流密度 Jv
、感應磁場 Bv
、感應電場 Ev
三者關係如圖 2-3 所示。
電子受感應電場加熱的機制可分為兩類，一是發生於肌膚深度內的碰撞（歐 姆）加熱，再則發生於主電漿（Bulk Plasma）中電子與鞘層間的能量轉換，由於 此機制為低碰撞頻率的情況下才越顯顯著，故稱非碰撞加熱（Collisionless heating）或非區域性加熱（Nonlocal heating）。
1、歐姆加熱：
一電子於時變電場中，前半週期受電場加速，後半週期因受電場方向反轉而 減速，經一週期該電子淨能量並無改變，為要有功率的傳遞，必須要某種機制的 存在，以打破電子在電場中一往一復的規律運動。而當加入與中性氣體碰撞因素 時，電子有機會在電場方向發生改變的時候，由於碰撞而改變其行徑方向，如此 便能持續獲得電場加速，但碰撞發生過於頻繁，任一半週期內電場方向雖未改 變，反而電子方向變化多次，平均下來亦無法獲得加速。可見碰撞頻率過高或過 低時，碰撞加熱的反應並不顯著，而當碰撞頻率等於 RF 頻率時，碰撞加熱效果 最好。基本推導如下，考慮一維電子之運動，因為離子質量遠大於電子，相較於 電子，離子從電場中獲得加速得到的能量很小，因此假設電漿中離子固定不動，
一電子於時變電場中，前半週期受電場加速，後半週期因受電場方向反轉而 減速，經一週期該電子淨能量並無改變，為要有功率的傳遞，必須要某種機制的 存在，以打破電子在電場中一往一復的規律運動。而當加入與中性氣體碰撞因素 時，電子有機會在電場方向發生改變的時候，由於碰撞而改變其行徑方向，如此 便能持續獲得電場加速，但碰撞發生過於頻繁，任一半週期內電場方向雖未改 變，反而電子方向變化多次，平均下來亦無法獲得加速。可見碰撞頻率過高或過 低時，碰撞加熱的反應並不顯著，而當碰撞頻率等於 RF 頻率時，碰撞加熱效果 最好。基本推導如下，考慮一維電子之運動，因為離子質量遠大於電子，相較於 電子，離子從電場中獲得加速得到的能量很小，因此假設電漿中離子固定不動，