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等向性蝕刻與非等向性蝕刻的差異：剖面形狀、底切、方向性的原理、選擇比比較

等向性蝕刻在縱向與橫向以相同速度蝕刻，因此會鑽到光罩下方（底切），剖面呈圓弧形。非等向性蝕刻則只在特定方向蝕刻得快，產生方向性的原理有兩種。一種是乾式蝕刻：電漿中垂直加速的離子促進底面的反應，側壁則由保護膜保護，可得到幾乎垂直的側壁。另一種是以 KOH 或 TMAH 等鹼性溶液蝕刻單晶矽的濕式蝕刻：只有 (111) 面蝕刻得非常慢，形狀由晶面決定。濕式不一定是等向性，乾式也不一定是非等向性，只使用自由基的乾式蝕刻就是等向性的。方向性與選擇比、損傷之間互有取捨，因此依目的選用。

項目等向性蝕刻非等向性蝕刻（使用離子的乾式）依晶面而異的非等向性蝕刻（濕式）
產生方向性的原理無。化學反應在各方向同樣進行被電場垂直加速的離子促進底面的反應，側壁由保護膜保護蝕刻速度隨晶面差異很大，矽的 (111) 面蝕刻非常慢
剖面形狀以光罩開口為中心的圓弧形幾乎垂直的側壁（錐角依條件調整）(100) 面晶圓為約 54.7° 的斜面，(110) 面晶圓為垂直的壁
底切大。橫向蝕刻量與深度幾乎相同，過蝕刻時更大小沿 <110> 方向對齊的光罩邊會停在 (111) 面。凸角與方向偏離的邊下方會被蝕刻
代表性方法以氫氟酸蝕刻氧化膜等濕式蝕刻、XeF2 氣體、只使用自由基的下游式電漿RIE、使用 ICP 的蝕刻、博世製程KOH、TMAH 等鹼性水溶液
選擇比容易提高。幾乎沒有物理性的去除作用離子撞擊也容易削去遮罩與底層，方向性越強選擇比越容易下降高。氮化矽膜或氧化膜（尤其 TMAH）遮罩幾乎不被蝕刻
損傷少可能因離子撞擊或充電而產生損傷沒有電漿造成的損傷
形狀的限制不適合比膜厚更細的圖案可幾乎照原樣轉印遮罩的形狀。深孔會有隨深寬比而蝕刻變慢等現象只能用於單晶矽，形狀由晶面決定。遮罩必須對齊晶體方向配置
主要用途整面去除薄膜、清洗、MEMS 的犧牲層蝕刻、去除 GAA 奈米片之間的 SiGe電晶體的閘極、接觸窗、溝槽、介層窗等微細圖案，MEMS 的深垂直孔MEMS 的膜片、V 形溝槽、金字塔形孔等體型加工

數值為具代表性的大致參考值，會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

等向性蝕刻
比起尺寸精度，更重視高選擇比或不損傷底層時。也用於利用底切掏空結構下方，或從側面去除某一層。
非等向性蝕刻（使用離子的乾式）
想依遮罩尺寸轉印細而垂直的圖案時。先進 IC 的微細圖案幾乎都以此方法製作。
依晶面而異的非等向性蝕刻（濕式）
想在單晶矽上便宜地做出由晶面決定的準確斜面、V 形溝槽或薄膜片時，主要用於 MEMS 的體型加工。

常見問題

濕式蝕刻一定是等向性的嗎？

不一定。以藥液蝕刻非晶或多晶薄膜一般為等向性，但以 KOH 或 TMAH 蝕刻單晶矽時，速度隨晶面差異很大，因此是非等向性。反過來，乾式蝕刻若不使用離子，只以自由基或 XeF2 氣體反應，也會是等向性。

為什麼使用離子就只會往下蝕刻？

晶圓電極上產生的負電位使離子幾乎垂直加速，主要撞擊底面。離子撞擊會大幅促進與自由基的化學反應，因此底面比側壁蝕刻得快很多。側壁則附著反應產生的聚合物等保護膜，阻止橫向蝕刻。

為什麼方向性與選擇比互有取捨？

要加強方向性，就要提高離子能量、加強物理作用，而這種作用不分材料，也會削去遮罩與底層。等向性的化學蝕刻幾乎沒有物理作用，容易得到高選擇比，但也會橫向蝕刻。實際製程會調整氣體組成、離子能量與保護膜的附著來取得平衡。

底切大約有多少？

完全等向性的蝕刻，從光罩邊緣橫向蝕刻的量與蝕刻深度幾乎相同。蝕刻穿透 1 µm 厚的膜時，橫向也約蝕刻 1 µm，過蝕刻還會再擴大。因此比膜厚更細的圖案要使用非等向性蝕刻。

理解度檢測

以完全等向性的濕式蝕刻將厚1 µm的膜恰好蝕到底層時，從遮罩邊緣向橫向蝕除的量（底切）大約是多少？

  1. A約1 µm
  2. B約10 µm
  3. C幾乎為0
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正確答案：A. 約1 µm

等向性蝕刻在縱向與橫向以相同速度蝕除，因此蝕除1 µm到達底層時，從遮罩邊緣橫向也已蝕除約1 µm（底切）。若再加上過蝕刻，橫向蝕除量還會增加。因此會產生與膜厚相當或更大的尺寸變化，不適合加工比膜厚更細的圖案。反過來，在MEMS中掏空結構下方等用途，則會利用這個性質。

關於僅將電漿產生的自由基供應給晶圓的下游式（downflow）蝕刻，下列特徵何者正確？

  1. A離子轟擊強，因此非等向性非常高
  2. B幾乎沒有離子轟擊，因此損傷少，可進行等向性蝕刻
  3. C使用藥液進行蝕刻
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正確答案：B. 幾乎沒有離子轟擊，因此損傷少，可進行等向性蝕刻

下游式（遠端電漿型）使產生電漿的位置與晶圓分離，離子與電子在途中再結合而消失，因此只有壽命長的中性自由基能抵達晶圓。由於沒有離子撞擊，電漿產生的紫外線也被阻擋，損傷較少，並可進行等向性蝕刻。用於光阻的去除、不希望受損的步驟中的膜去除，以及奈米片之間SiGe的去除等。

在MEMS的犧牲層去除等情況中，不使用電漿即可對矽進行等向性蝕刻的氣體是下列何者？

  1. AO2（氧氣）
  2. BN2（氮氣）
  3. CXeF2（二氟化氙）
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正確答案：C. XeF2（二氟化氙）

XeF2是在室溫附近就會昇華的氣體，與矽自發性反應生成SiF4等，不需電漿即可對矽進行等向性蝕刻（2XeF2 + Si → 2Xe + SiF4）。它對氧化層、氮化層、光阻及多數金屬的選擇比高達1000以上，且因不使用液體而不易發生黏附（stiction），因此用於將MEMS結構從矽犧牲層中釋放出來。

  1. 同時對矽照射XeF2氣體與氬離子束時，蝕刻的進行遠快於各自單獨照射的總和。這顯示了乾式蝕刻的何種性質？
  2. 表示蝕刻所形成的孔或溝槽的側壁相對於垂直傾斜多少的指標是下列何者？
  3. 關於非等向性蝕刻的說明，下列何者正確？

前往蝕刻的練習題

相關名詞的解說

等向性蝕刻
縱向與橫向以相同速度進行的蝕刻。會蝕入遮罩下方（底切）。
非等向性蝕刻
蝕刻僅沿特定方向（主要是垂直方向）進行的特性。是加工微細圖案所必需的。
蝕刻選擇比
蝕刻時，想去除的薄膜與遮罩或底層薄膜之蝕刻速率比。比值越大，越不易損傷底層。
RIE(反應式離子蝕刻)
結合電漿中的反應性粒子與經電場加速之離子來進行蝕刻的乾式蝕刻。可進行垂直的非等向性加工。
博世製程(Deep RIE)
以短週期交替重複蝕刻與側壁保護膜沉積，在矽上挖出深而垂直的孔或溝槽的乾式蝕刻技術。用於MEMS與TSV的加工。
犧牲層蝕刻
以蝕刻去除暫時置於結構下方的層(犧牲層)，使可動的樑或薄膜懸空，是MEMS的代表性加工方法。
自由基
具有未成對電子、化學上極易反應的中性原子或分子。電漿中的數量遠多於離子，負責化學性的蝕刻與成膜。
晶體方向
表示晶面與晶向的朝向。以(100)這類米勒指數表示，MOSFET用的矽晶圓一般採用(100)面。

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