Etch Atlas · 02b · DRIE 深矽蝕刻 Recipe

Bosch 深矽蝕刻

側壁要保護,底部要打開。看懂一圈怎麼挖,再看 recipe 參數如何控制形貌。

🧭 回 Etch Atlas hub(01 全景) 02 DREM 三步循環(本頁的進化版對照)→

C₄F₈ 鋪膜 → SF₆ 清底膜、蝕刻矽。
兩種氣體交替;清底與蝕矽,是同一個 SF₆ 步驟內的兩個觀察階段。

先看側壁與溝底各發生什麼

點選階段,或播放一圈。藍線是保護膜;灰色是矽。示意從既有淺溝開始,幾何與時間皆非實際比例。

遮罩 (mask) 遮罩 (mask) Si
時間鈍化清底蝕 Si
C₄F₈ONOFFOFF
SF₆OFFONON
Bias低高中

藍色實線=保護膜;灰色區域=矽;箭頭=離子方向。側壁凹凸是每圈留下的 scallop。

1 · 鋪上保護膜
C₄F₈ 電漿在整個溝槽表面鋪一層類 Teflon 保護膜——側壁、溝底全都包起來。
氣體:C₄F₈ | Bias:幾乎關閉(讓膜均勻沉積,不被打掉)
已完成循環 0 / 6 cycles
看門道:側壁膜留下,溝底膜被打開 → 才能只往下挖、不往兩邊垮。這就是 Bosch 能做出高深寬比深溝的關鍵。
為什麼 C₄F₈ 鋪膜、SF₆ 蝕矽?

C₄F₈:供應成膜片段

電漿把分子拆成 CFₓ 等片段。當沉積多於去除,表面就累積氟碳聚合物膜,像替側壁穿上保護層。

八氟環丁烷:C₄ 是碳骨架、F₈ 是八個氟。碳提供膜的骨架,但「有碳」本身不是一定成膜的判準。

SF₆:供應蝕矽的氟

電漿產生 F 自由基,與已露出的矽反應,形成可被抽走的揮發性產物。離子先幫溝底開口,側壁仍靠殘膜保護。

六氟化硫:它在這個 recipe 的工作是供應氟。不要把「沒有碳」推成所有製程都適用的蝕刻定律。

記住工作分配:先包住側壁,再只開底部,最後挖深一段。

製程依據:Oxford Instruments · 深矽蝕刻原理。本圖是定性教學模型,不代表機台設定值。

② Recipe 的階層架構

一支 recipe 由上到下是這樣分層的。機台介面可能把 SF₆ 蝕刻寫成一個 step,也可能為了獨立控制 bias/時間,把 bottom clear 與 main etch 拆成兩個 sub-step;後者在控制上是三段,但 chemistry 邏輯仍屬 Bosch 兩步。

📄 Recipe(整支配方)chamber / 製程氣體 / 步驟序列
▸ Step 0 Strike / Stabilize點火、穩壓穩流,先不蝕刻
↻ Loop Start(重複 N cycles)
🎨 Step A DepositionC₄F₈ 鋪膜,Bias 關
💥 Step B1 Bottom clear / BreakthroughSF₆ + 較高 Bias,先清溝底 fluorocarbon(短)
🔻 Step B2 Main Si EtchSF₆,F radical 蝕 Si,bias 兼顧方向性
↺ Loop End ×N
▸ Step Z Pump / Purge / De-chuck收尾、卸靜電夾
每個 Step body 裡的參數分這幾群 👇
⏱️ 時序:step time、cycle 數、stabilization | 🫧 氣體:SF₆ / C₄F₈ / O₂ / Ar(MFC sccm)
🌡️ 壓力:chamber pressure、APC 閥 | ⚡ 功率:TCP / TCCT / Bias / match
❄️ 熱控:Backside He、ESC 夾壓、chuck 溫度 | 🔍 Endpoint:OES(Bosch 多半純 time-based)

③ Recipe body 參數探索器

點任一參數,看它「在哪一步最關鍵、調大/調小會怎樣」。你問的 6 個都在(標 Lam 或 通用);最後 3 個 常被忽略 的才是 Bosch 真正的靈魂。

④ 硬體在哪裡:腔體全貌與局部辨識

參數不是抽象旋鈕——每個都對應腔體裡一塊真實硬體。先看剖面架構(誰在哪、訊號怎麼進出),再點下方局部示意放大對照;編號 ①–⑥ 兩邊對得起來。本節是速覽版——12 元件完整解剖、消耗品 RF-hr 壽命表、症狀→嫌疑零件 debug 表都在 04 機台硬體解剖 →

TCP 源線圈 1 TCCT 內/外線圈比 RF 源 13.56 MHz Match 氣體入口 SF₆·C₄F₈·O₂ 2 3 電漿 Plasma 5 ESC 靜電夾 4 背氦 He+控溫 ▸ 下電極 = Bias RF Bias 13.56 MHz Match APC 閥 渦輪泵 Turbo pump 6 排氣

圖:ICP / TCP 蝕刻腔體剖面示意(自繪)— 上:RF 源 → 線圈 → 介電窗生成電漿;中:氣路 showerhead 灑氣、bulk 電漿;下:晶圓坐在 ESC(背氦控溫+下電極 Bias);右:APC 閥+渦輪泵控壓力。

硬體局部辨識(點選放大)

局部取自上方同一張剖面示意,編號與位置互相對照。這是結構示意,不是實拍或特定機型尺寸。

想更深入硬體:ICP 源原理、Faraday shield、sheath 物理、dual-frequency 解耦 → 看同站的 04 機台硬體解剖頁。

⑤ 一個典型深矽 cycle 長怎樣

數值給你抓 sense(不同機台 / 深寬比差異大,僅供量級參考)。

🎨 Deposition
  • C₄F₈~80–100 sccm
  • TCP 功率~600–1200 W
  • Bias~0–10 W(低)
  • 壓力~20–40 mTorr
  • 時間~2–5 s
💥 Breakthrough
  • SF₆~100 sccm
  • TCP 功率~600–1200 W
  • Bias拉高(打穿底膜)
  • 壓力~20–40 mTorr
  • 時間~0.5–1 s
🔻 Main Etch
  • SF₆ (+O₂)~100–130 (+~10)
  • TCP 功率~800–1500 W
  • Bias中等
  • 壓力~20–40 mTorr
  • 時間~3–7 s
整體:循環數十~數百次|蝕刻率 ~1–10 µm/min|scallop ~50–500 nm。dep:etch 的時間比+bias 大小就是調側壁垂直度與 scallop 的兩個主旋鈕。

⑥ 接近停止層:Approach recipe → soft landing → shutdown

把兩種「ramp down」拆開命名:Approach/Landing recipe 是碰到停止層前降低平均離子能量與調整選擇比;Plasma shutdown 是完成後依序收 bias/source、pump/purge。兩者目的不同。

Main Etch(兇·快) → Approach recipe → Soft Landing 軟著陸 → Plasma shutdown → Pump / Purge / De-chuck
停止層 BOX − −− − +++
❌ 硬著陸(高 bias 持續 ON)
電子較容易在深溝上方被攔截,底部絕緣面累積正電 → 局部電場彎折後續正離子軌跡 → 側壁鈍化被削,F 再橫向咬出 notch / footing
停止層 BOX Bias ONOFF e⁻e⁻e⁻ ± ± ± ✓
✅ 軟著陸(低平均 bias・脈衝)
OFF-time 讓 sheath 電位下降、電子較能進入深溝補償底部正電;下一個 ON pulse 的離子軌跡較不被橫向場扭曲

🔴 為什麼正電不只是「直直往上推」

深溝內電子與離子的角度/遷移率不同:電子容易被上口與側壁截走,正離子較能沿 sheath 方向抵達底部。當 BOX 上的正電與上段負電分布不均,形成的局部橫向電場不是均勻平面場,所以低能量離子會被彎向底角;先削掉側壁膜,後續 F radical 才把 notch 放大。

🟢 低頻與 pulsed bias 各做什麼

① 降低 bias:減少撞擊與 over-etch。② 低頻:改變 ion-energy distribution,較長的 RF 週期也讓 sheath 的擴張/鬆弛更完整。③ pulsed bias:明確提供 OFF-time,sheath 降低後電子能重新進入、表面電荷得以補償。兩者不是同義詞,要分開做 frequency × duty split。
回扣 CIS:BDTI 從背面挖到接近正面光二極體、或 TSV 落在金屬 pad 時,soft landing 是保命招——notch 或離子轟到介面 → 介面態 Dit↑ → dark current / 白點↑,跟你 DTI passivation 那條因果鏈同一個敵人。

⑦ 回扣 CIS:TSV 偏速度,DTI 偏表面品質

同樣是深矽蝕刻,scallop 在你領域是「特徵」還是「缺陷」差很多。

✅ TSV(through-Si via)

堆疊式 BSI 感測器的垂直導通孔
  • Bosch 的經典舞台:要又深又垂直、深寬比高,速度優先
  • 側壁 scallop 可接受——後面會填介電質 + 金屬,輕微粗糙不致命
  • 追求高蝕刻率 → 大 TCP、長 etch step

⚠️ DTI(deep trench isolation)

像素之間的隔離溝(你常碰的)
  • 側壁 scallop 是隱患:粗糙側壁 → 介面態 (Dit) ↑ → dark current / 白點 ↑
  • 所以 DTI 偏好連續式 / mixed-mode / 低-scallop Bosch,換取平滑側壁
  • 蝕刻後常再搭側壁平滑化 + 鈍化(連到你的 DTI passivation 那套)
取捨核心:Bosch 的 dep/etch 循環天生會留 scallop。TSV 用速度換 scallop 容忍度;DTI 用平滑側壁換速度——同一台機、同一組參數旋鈕,目標不同就往不同方向調。