電漿是什麼？晶圓廠為什麼用它來蝕刻

電漿（plasma，中國大陸叫等離子體）是氣體被電能「拆開」的狀態：一部分分子被拆成帶電的離子和電子，還有很多變成很活潑、很想起反應的碎片，跟還沒拆開的氣體混在一起。晶圓廠在抽成低壓的腔體裡通進氣體、加上高頻的電，就做出電漿。蝕刻用它，是因為它同時做兩件事：碎片負責化學反應，帶電的離子被電場往下拉、負責往下撞，所以能只往下刻，刻出又細又直的溝。

乾蝕刻和濕蝕刻差在哪，「蝕刻是什麼？乾蝕刻和濕蝕刻差在哪」講過了。這篇往下講一層：電漿是什麼、蝕刻機裡一步一步在做什麼。

電漿是什麼？生活裡看得到嗎？

冰加熱變水，水再加熱變水蒸氣。再給氣體更多能量，有些分子被拆成碎片，有些被拉掉電子、變成帶正電的「離子」，這就是電漿，常被叫做物質的「第四態」。霓虹燈、日光燈管通電時管子裡的氣體，還有閃電、極光，都是電漿；氣體不一樣，光的顏色也不一樣。

晶圓廠的電漿，真正變成離子的只有一小部分，常常不到百分之一。電子跑得極快，換算成溫度有上萬度；但電子很輕，氣體本身並不燙。所以不必把晶圓烤得很熱，反應也做得起來。

晶圓廠怎麼做出電漿？

• 低壓的腔體：抽到大約只有大氣壓力的一萬分之一到十萬分之一，甚至更低。氣體稀，電子撞上下一個分子之前有一段距離可以加速，比較容易累積到拆開分子的能量。
• 氣體：照要刻的材料選，常見的是含氟、含氯的氣體。
• 高頻的電：方向每秒來回變換上千萬次（常用 13.56 MHz），把能量送進氣體。

很多蝕刻機有兩組電源：上面那組把電漿點起來，決定電漿多濃；晶圓底下那組，決定離子撞下來多用力。

為什麼蝕刻要用電漿？

• 碎片做化學反應：這些碎片課本上叫「自由基」，跟露出來的材料反應，變成氣體，被泵浦抽走。
• 離子往下撞：電子輕、跑得快，先撞上晶圓，讓晶圓表面帶負電，帶正電的離子就被吸過去。晶圓上方很薄的一層裡，電場筆直指向晶圓，離子幾乎垂直地打下來。

有個有名的實驗：只用離子或只用活潑的氣體刻矽都很慢，兩種一起來，比各自單獨快上好幾倍。離子只打得到正下方，所以洞底一直在刻，側壁幾乎不動。

側壁為什麼不會被吃掉？

碎片沒有方向，照理說也會往側壁鑽。所以很多蝕刻會在氣體裡配一些「會長膜」的成分，在表面鋪上薄薄的保護膜。洞底一直被離子撞，膜長不住，繼續往下刻；側壁很少被打到，膜留下來擋住碎片。膜太少，側壁被吃進去；太多，洞越刻越窄。例如用含碳和氟的氣體時，多加一點氧氣，保護膜就比較容易被吃掉；比例就是這樣調的。

一片晶圓在蝕刻機裡怎麼走？

第 1 步：放進腔體、吸住、背面通氦氣

• 做什麼：手臂把晶圓送進腔體，放到靜電吸盤上吸平；晶圓背面和吸盤之間的細縫通進氦氣（He 背壓）。
• 為什麼：真空裡不能靠抽氣吸住，所以改用靜電；真空又幾乎不傳熱，像保溫瓶，電漿帶來的熱要靠氦氣傳給底下會冷卻的底座。
• 不這樣會怎樣：晶圓越刻越熱，刻出來的形狀和線寬就偏了。

第 2 步：關門、抽真空

• 做什麼：門關上，把腔體抽到更低的壓力。
• 為什麼：裡面只能留下接著要通的氣體。
• 不這樣會怎樣：多出來的氣體和水氣混進反應，結果就跟設定不一樣。

第 3 步：通進氣體、穩住壓力

• 做什麼：照 Recipe（機台照著跑的設定）通進幾種氣體，各通多少用 sccm 算，再把壓力穩在設定值。
• 為什麼：氣體和壓力決定刻什麼、刻得多直（下面有表）。
• 不這樣會怎樣：流量或壓力不穩，每片刻出來都不一樣。

第 4 步：點電漿

• 做什麼：打開上面那組電源，腔體裡亮起一團光；再打開晶圓底下那組，把離子往下拉。
• 為什麼：一組管電漿多濃，一組管離子多用力，分開才調得準。
• 不這樣會怎樣：只靠一組電，兩件事綁在一起，很難都剛好。

第 5 步：刻

• 做什麼：碎片和離子把露出來的材料變成氣體帶走，側壁一邊長保護膜；光阻蓋住的地方留下來。
• 為什麼：圖案才會照著光阻，直直往下複製進去。
• 不這樣會怎樣：刻太久，光阻（它自己也一直被慢慢刻掉）會先被吃光，該留的地方也被刻了。

第 6 步：看終點

• 做什麼：機台從側面的小窗一直看電漿的光；這一層刻穿、露出下一層，光的顏色或強弱一變，就知道刻到了，再多刻一小段（過蝕刻）確保每個洞都到底。
• 為什麼：膜的厚度、刻的速度每片都有一點差，看光比只看時間準。
• 不這樣會怎樣：停早了洞不通，停晚了傷到下一層。只在同一種材料裡挖到某個深度時，光不會變，常照量好的速度算時間。

第 7 步：關電漿、抽掉氣體、取出

• 做什麼：關掉電漿、抽乾淨氣體，吸盤放開，晶圓被頂起來、送出去。
• 為什麼：蝕刻用的特殊氣體不少有毒、會腐蝕，抽出來的廢氣先經過尾氣處理才排掉。
• 不這樣會怎樣：沒抽乾淨就開門，氣體會跑進傳送晶圓的空間，碰到下一片和機台零件。

壓力、功率、氣體，各改變什麼？

調什麼	大致會怎樣
壓力	低一點，離子少被撞歪，刻得比較直；高一點，化學的份量變重，比較會往旁邊吃
上面那組電源	調高，電漿變濃，刻得比較快
晶圓底下那組電源	調高，離子撞得更用力，更直、更快，但比較不挑材料，光阻也掉得多
氣體的種類和比例	決定跟誰反應、挑不挑材料、側壁保護膜長多少

這些條件是一整組一起定的，寫進 Recipe（見「Recipe 是什麼？」）。

為什麼圖案疏密不同，刻出來不一樣？

• 一大片擠在一起要刻的地方：碎片在那裡被用得快，「不夠吃」，刻得比較慢。
• 又窄又深的洞：碎片和離子比較難進到底，越深越慢，細的洞常比寬的晚刻到底。

所以終點抓到之後，還要多刻一段過蝕刻。

背面的冷卻出問題，會怎樣？

吸盤表面磨耗、晶圓背面沾了微粒，晶圓就貼不緊，氦氣從邊上漏掉。機台看的是氦氣的流量：流量越高，漏得越多。漏一點，晶圓溫度偏高，線寬可能一點一點往一邊偏；漏太多，機台跳 alarm 停下來，晶圓可能刻到一半卡在腔體裡。所以氦氣流量慢慢往上爬，就是要有人看的警訊。

電漿只用在蝕刻嗎？

• 長膜：電漿輔助的化學氣相沉積（PECVD）。碎片本來就很想反應，晶圓不必那麼熱，膜就長得上去（見「薄膜製程是什麼？」）。
• 去光阻（灰化）：光阻主要是碳和氫。氧氣點成電漿，跟光阻反應成二氧化碳和水蒸氣被抽走，底下的矽和氧化層幾乎不受影響，像把光阻燒成灰。

在 fab24hr 裡

按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「量產廠」、左右滑到製程工程師，名字下面再點「蝕刻」，你顧的 ETCH-03 就是電漿蝕刻機。點它、按「拆開來看」再按「看它怎麼動」，從晶圓送進來到送出去，一步一步動給你看；也可以直接打開電漿蝕刻腔。

主線「晶片的一生」第 6 章，02:47 ETCH-03 的 A 腔跳了 He 背壓的 alarm；第 7 章「救火」，你在機台上找線索：He 流量三天來一路往上爬，ESC 用到更換週期的 96%。換完 ESC，你要測機，決定跑幾片 Season、抽真空烤多久。研發線的蝕刻研發製程工程師，早班碰上 ETCH-R1 停機：電漿的能量送不進腔體，反彈回來了；晚班就是第 5 章「最後一格」，要定 He 流量的 alarm 上限。

遊戲裡的公司、人物、機台編號和數字都是虛構的；電漿是什麼、蝕刻機怎麼用它，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。