增加單晶圓濕式蝕刻製程的用途
Ricardo Fuentes, MATECH, Poughkeepsie, New York, United States
儘管乾蝕刻製程在部分的製程中已取得重要的地位，在半導體元件製程以及許多其他相關的技術中，例如微機電系統及光伏元件製造，濕蝕刻仍然是一個主要的技術。濕蝕刻製程常用於半導體的元件製造、金屬化和封裝等領域。
濕蝕刻製程的作用是憑藉著液態化學品和固態基材之間的化學反應。在半導體製程的許多步驟中，濕蝕刻製程通常是最快的且最具成本效益的選擇性地或全面性地移除表面上材料的方法。微影製程後的氧化層去除，晶圓磨削(grinding/或譯為研磨)後的應力消除、晶圓減薄以及表面粗化都是一些使用濕蝕刻製程的重要生產步驟。
液態化學品可藉由許多種方法與固態基材接觸藉以產生濕蝕刻反應。而選擇的方法則與製程的需求有關。如果基材的兩面皆可沾濕，一般會選擇沉浸式的方法。如果只容許基材單面接觸到化學品，則旋轉塗佈式或噴霧式會是很好的選擇。隨著製程和元件的需求不斷提升，均勻度(TTV：總厚度變化)往往也是一個重要的考慮因素。
沉浸式蝕刻通常以裝滿基材的晶舟置於化學槽中處理。旋轉塗佈式或噴霧式蝕刻製程，可適用於單晶圓或批次式，並依照機台的設計可處理單面或雙面蝕刻。由於新的元件製程技術要求越來越高，大都必須使用單晶圓式的單面蝕刻製程。再加上處理薄晶圓的需求，更嚴苛的厚度均勻性規格，與增加更多的功能正持續不斷地推動著這個趨勢。
濕蝕刻製程的傳輸現象
濕蝕刻製程的結果主要是由傳輸現象決定。雖然化學品混合物的成分與基材的表面決定了一系列反應的結果，但反應速率通常是受限於反應物供應到反應區的量與反應副產物被帶離反應區的能力。反應區通常是被包含在「邊界層」的範圍內，因此反應物和副產品必須經由擴散進/出邊界層。因之，邊界層的性質，例如厚度及均勻性，對濕蝕刻製程的結果有重大的影響。
邊界層的厚度與其他各種性質受下列各種因素影響；例如，化學品的流動特性、化學反應的特性、界面的潤濕特性以及溫度。一般而言，為了使濕蝕刻製程有良好的均勻性，邊界層的厚度必須一致。邊界層的厚度會被攪拌和流過基材表面的流體產生的剪切力所影響。因此，沉浸式和旋轉塗佈/噴霧式製程的邊界層厚度的主要決定因素分別是對流和表面流速梯度。
攪拌機制的實體限制和氣體的產生限制了沉浸式濕製程的最佳均勻性。同樣地，整片基材間的速度梯度差異限制了旋轉/噴霧式製程已知尺寸基板的最佳均勻性。使用旋轉式製程蝕刻大量材料時，在較大直徑的基材上可能會產生較大的不均勻性。
近來，許多關鍵製造步驟也改為採用「單面式」的製程。在這種製程下，基材只有單面接觸到化學品。這樣的製程這常常是因為未被處理的晶面有一些元件或結構，或是我們需要在蝕刻時未被處理的晶面必須保持原狀。不單只是避開化學品的接觸，未被處理的那一面也必須避開化學品蒸氣的損害。
新式的沉浸式濕蝕刻
針對超薄的大尺寸基板，新式的WaveEtch LinearScan蝕刻技術提供了高均勻性與單面式的製程。這種蝕刻技術在整個液-固界面間供應一致而穩定的化學品，並且製造有效的垂直路徑，提供反應副產物離開反應區，如氣體和蒸汽(圖一a)。事實上，表面的每一個地方都接觸相同的化學品和傳輸環境，使得這製程本質上就是均勻的。邊界層不會受到流速度梯度、對流及其他傳輸有關的梯度因素，這些梯度因素通常會引起邊界層厚度變化及伴隨而來均勻性的影響。該系統幾乎消除了長久以來困擾著旋轉/噴霧式或沉浸式製程，所有與傳輸和中心對稱性有關的不均勻性。
當我們以細條狀的化學品池掃描基材時，將基材由未被處理的晶面，以傳統的真空吸盤或非接觸式吸盤夾持(圖一b)。反應物由底部進入反應區，而反應副產品則以平行於基板表面的方向離開反應區。基材並不是真的沉浸於化學品中，而僅是接觸到因表面張力而凸出於化學品池上方的化學品(圖二)。藉由稱為「動態隔離」的專有技術在基材的邊緣形成了一個虛擬的氣態O形環，可以防止任何化學品液體或蒸氣侵入未被處理的晶面。這樣一來，未被處理的晶面就不會受到物理性或化學性的接觸。
由於這個系統的材料移除率均勻，我們可以利用化學品做較大量的蝕刻移除，並同時仍可控制厚度與均勻性的要求。一個典型的例子是去除磨削後的淺層傷害。對於給定的最終厚度，我們可以對基材使用較少的磨削和較多的濕蝕刻，而仍然維持要求的均勻性。使用較少的磨削，可以提升良率並降低作業成本。
由於現代積體電路元件所要求的最終厚度持續地下降，50微米已成為許多現代積體電路元件採用最先進的目標。上述的蝕刻系統特別適合於處理非常薄的晶圓。此蝕刻系統具有獨特的夾具設計、製程中不需要旋轉，沒有為橫向定位/限制而在邊緣加添的可能會損壞晶圓邊緣的引腳或其他硬元件，也沒有高速旋轉而需施加於基材上的動態負載等特色。
這項技術也讓我們能更靈活的選用適當的化學品來處理基材。由於不像旋轉/噴霧式系統必須為了徑向速度梯度的差異，得特別去調整化學品的成份，以穩定邊界層，這個蝕刻系統可以自由的選擇最佳的化學品。選擇特定的化學品只是為了達成理想的表面蝕刻，而不是還要考量任何其他可能影響或妨礙達到預期的效果的附帶原因。
這個製程由於能夠彈性的選擇化學品而且不需使用高表面流速，消除了原有的表面特徵影響，並可以藉由多重化學步驟達到表面特徵加乘的效果。舉例來說，可以將奈米級的粗糙度疊加在微米級的粗糙表面上，對於提升金屬附著性和其他製程提供了一個極好的表面。
由於不會受到流體力學邊緣效應的影響，不會在晶圓邊緣形成鋒利的邊緣，也不會有在旋轉/噴霧式蝕刻系統中，經常出現會破壞基材結構的「牙」(圖三)。此外，因為不需要搭配界面活性劑使用，和化學品使用量較小且流速較低的特性，使得整體化學品的使用更有效率。化學品本身可以直接用來決定製程終點，不必考慮界面活性劑的消耗。總體而言，這些功能降低化學品的用量、採購成本和廢棄物處理成本，也能較輕易符合環保法規的規定，導致整體生產與設置成本降低。
這些技術與基材尺寸大小無關。由於所有區域都暴露在相同的化學品和傳輸環境下，基材的尺寸和形狀就無關緊要。為特定尺寸的晶圓所開發的製程，隨時可用於另一種尺寸的晶圓上，使得產品製造可輕易變動製程且花費不多。特別形狀的、非圓形的和大於300毫米的基材皆可整合於此一系統。
圖四為這個系統的主要組成部分的示意圖。功能包括：上片站，以真空吸盤或非接觸式吸盤將基材由機器手臂搬運到工作頭；製程處理站，來回掃描基板直到達成預期的蝕刻結果；清洗站，去除任何殘留的化學品；以及乾燥站，各種不同乾燥方法，包括真空乾燥、乾燥氮氣注入以及類似馬蘭葛尼(Marangoni-like)系統皆可使用。
清洗是個很快速的步驟。清洗水流集中於基板下方的一個很小的範圍，而清洗過的水會立即排出清洗模組，不會污染到新的清洗水。同時，為了運用這個系統的製程彈性的優勢，每一個製程模組都有一個全功能的化學處理單元，可以精確的量測、混合、儲藏、熟化，並可監測至少3組以較便宜的筒裝化學品調配後的不同化學配方(相對於較昂貴的預混合專有配方)。
超薄晶圓的蝕刻
如上所述，這個系統是相當適合於磨削製程後的減薄與應力去除。由於這個系統有優越的均勻性，因此能利用它調整磨削製程以提升良率；雖然增加濕蝕刻的移除量但仍可保持厚度均勻度的要求，並同時降低生產成本。由於優越的均勻性，該系統可以處理超薄晶圓(≦50微米)的單面濕蝕刻，而不會有局部吃穿的風險。
這項技術創造出一種新的應用，複合表面粗化處理。由於能依造所需求的化學反應自由地選擇適當的化學品，而且沒有高速的流體沖蝕表面，所以能藉由數種蝕刻步驟使該表面反應成預期的特性。前面步驟建立的表面特性不會被後面步驟抹除，從而創造出符合下列應用的最佳表面，例如改善金屬的接合、強化界面疲勞及光學表面工程。參照圖五，奈米級的粗糙度疊加到大於3到4個數量級的微米級的粗糙表面上。
這個技術在光伏元件與太陽能電池製造上有重要的應用，從減薄已拉好金屬導線的太陽能電池基材，到原料基材減薄。由於幾乎能夠使用所有適合的化學品與任何基材反應，只要所選用的化學品能與基材反應，這個系統就能處理任意材料。這個系統已被用於蝕刻磷化銦、鍺、砷化鎵、矽、多晶矽、玻璃和石英等。這個系統也被用於特殊形狀和各式尺寸基材的處理中：包括50毫米的磷化銦晶圓、200毫米的複晶矽方片、長方形的玻璃和300毫米的矽晶片。這個技術提供了一種新的濕製程方法。
圖一：線性掃瞄技術使得反應物與反應的副產品沿著垂直的方面移動。(a)反應物由底部送到反應區，副產品則沿著旁邊排放，(b)工作頭以接觸式或非接觸式的吸盤夾持住基材，面朝下方反應物的掃瞄，避開了傳輸現象的影響。
圖二：LinearScan的製程側視示意圖。