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Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology ‧ 半導體製程技術導論
Ch 7 + 8  電漿製程 ‧ 離子佈植
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本頁導覽 ‧ OVERVIEW

CHARGED PARTICLES · 把氣體變成可控制的工具

同一群帶電粒子，可以清洗、沉積、蝕刻，也能把摻雜送進矽裡

電漿提供自由基與離子；電場再把離子的方向、能量與劑量變成工程參數。這一頁的重點，是把漂亮的放電光芒讀成可量測的製程控制。

RF Power影響電漿密度與離子能量
Vacuum控制平均自由徑與碰撞
keV + Dose決定佈植深度與濃度
NIST：真實 RIE 設備
NIST Nanofab 的 Oxford RIE PlasmaPro 80 反應性離子蝕刻設備
真實設備包含腔體、真空、RF 與氣體供應系統。Credit: NIST Nanofab.
粒子從氣體到晶格的五站
01 · Feed — 送入反應氣體氣體種類與比例先決定腔體裡可能生成哪些自由基、離子與副產物；recipe 從化學選擇開始。

兩章學習目標

預估 70–90 分鐘

一句話：看不見的離子如何工作——Ch7 認識電漿這個「物質第四態」,Ch8 用粒子加速器把摻雜物打進矽。兩章共用同一套「游離＋電場加速」物理:佈植機的離子源,其實就是一顆電漿腔。

Ch7 電漿製程 — 你將能夠

  • 定義電漿及其三要素(離子/電子/自由基)
  • 描述游離、激發發光、解離三種碰撞
  • 說明鞘層與自生直流偏壓＝垂直轟擊的來源
  • 說明電漿對蝕刻與沉積的好處
  • 比較電容耦合與高密度(ICP)電漿的解耦

Ch8 離子佈植 — 你將能夠

  • 說明佈植為何取代擴散
  • 說出佈植機五大模組
  • 連結能量→深度(Rp)、劑量→濃度
  • 說明通道效應與三種對策
  • 描述佈植損傷與退火活化
中文重點
前一頁用熱長膜、用光印圖。這一頁登場的是離子:電漿把「高溫才會發生的化學」搬到低溫發生,還附贈方向性離子轟擊(Ch9 蝕刻、Ch10 PECVD 全靠它);離子佈植則把摻雜物精準打到指定深度與濃度。前置知識:Ch3 摻雜、Ch5 擴散與 RTP。
Ch7 ‧ §7.2

What Is Plasma?

電漿是什麼

日光燈、極光、蝕刻腔——都是同一種物質的第四態。電漿＝部分游離的氣體,由四種角色分工:離子、電子、自由基、光子。

同一種物質第四態

電漿組成(點四個角色看職責)

點腔體裡的彩色標記,右側顯示該物種的職責;下方「游離度」用百萬點中的幾個亮點,說明其實大多數還是中性分子。
點左圖任一角色
離子轟擊、電子續命、自由基造化學、光子供監控。
游離度 ~10⁻⁶–10⁻³:亮點=帶電粒子,其餘都是中性分子
中文重點
考點:電漿三要素＝離子(轟擊)、電子(維持放電)、自由基(化學反應);輝光＝激發態回落發光。關鍵直覺:電子熱、離子/氣體冷——能量選擇性地給了電子,所以叫「冷電漿」,低溫製程的鑰匙。
Ch7 ‧ §7.3

Three Collisions

三種碰撞配對

維持電漿的是電子碰撞,三種各司其職。把左邊三條反應式拖到對的桶裡。

反應式 → 碰撞類型

拖曳反應式到「游離 / 激發發光 / 解離」三桶,按檢查;全對後彈出口訣。
口訣:游離續命、激發發光、解離造料。 OES 端點偵測(Ch9)讀的就是「激發發光」放出的光。
中文重點
① 游離 e⁻+Ar→Ar⁺+2e⁻:一個電子撞出兩個,鏈式反應維持電漿。② 激發–鬆弛:撞出激發態→回落放光＝輝光。③ 解離 e⁻+CF₄→CF₃+F:製造自由基,開啟化學。三者=續命、發光、造反應物。
Ch7 ‧ §7.4–7.6 ‧ ★本章旗艦互動

Capacitive Plasma Reactor

電容式電漿腔模擬器

平行板 RF 腔:調功率看密度與轟擊,調壓力看方向性。注意側欄兩支表——−V_DC 與密度同一支功率滑桿一起動,這正是電容式的痛點。

RF 功率 × 壓力 → 密度 / 轟擊 / 方向性

拖 RF 功率:輝光變亮(密度↑)+ −V_DC 上升 + 離子箭頭變粗;拖壓力:壓力↓→平均自由徑變長→離子軌跡從歪斜多碰撞變筆直(方向性↑)。
靜態版：自生偏壓 −V_DC 源自電子遷移率≫離子；壓力降低→平均自由徑變長→離子方向性變好；ICP 解耦電漿密度與離子能量。
自生偏壓 −V_DC
−200 V
動畫粒子量 (相對)
14 顆
軌跡碰撞指標
2 次
化學量(電漿密度)
轟擊力(離子能量)
方向性(平均自由徑)
⚠ 電容式的痛點:密度與轟擊綁在同一支功率旋鈕——想要更多自由基(化學)就被迫加大轟擊(損傷)。解法在下面的 ICP。
中文重點
壓力↓ → 平均自由徑(MFP)↑ → 離子少碰撞、方向性好;RF 功率↑ → 密度↑ 且 −V_DC↑。頻率 13.56 MHz 是工業標準。電容式一顆旋鈕同時動了「化學量」與「轟擊力」——高密度電漿(ICP)因此而生。
帶學生把功率拉到底看兩支表一起滿——「一桿雙動」;再固定功率、把壓力調低,看軌跡變筆直、方向性表上升。強調 −V_DC 就是「離子打多重」的旋鈕,決定蝕刻輪廓與損傷。
Ch7 ‧ §7.6

How Self DC Bias Forms

自生直流偏壓的成因

為什麼 RF 交流電會生出一個直流偏壓?關鍵一句:電子比離子快得多。用「下一步」看波形如何一步步下移到穩態 −V_DC。

RF 波形 → 穩態 −V_DC(四步)

按「下一步」:①正半週電子湧入電極 ②電極累積負電 ③波形整體下移 ④穩態 −V_DC=轟擊能量旋鈕。
中文重點
RF 電極串了一顆電容→淨電流必須為零。電子快,正半週被吸走一大票,電極累積負電→整條波形下移,直到「電子電流＝離子電流」達平衡,穩態就是 −V_DC。V_DC ∝ RF 功率;小電極偏壓更大(面積比)。工程意義:控制離子轟擊能量的旋鈕。
Ch7 ‧ §7.9–7.10

High-Density Plasma (ICP): Decoupling

高密度電漿的解耦

ICP 換成線圈,把 A3 那一支旋鈕拆成兩支獨立滑桿:source power 只動化學量、bias power 只動轟擊。這就是「解耦」。

兩支獨立滑桿:密度與能量分開控制

分別拖 source / bias:注意 source 只動上面那支表、bias 只動下面那支——和 A3「一桿雙動」對照。
化學量(密度)← 只受 source
轟擊力(能量)← 只受 bias
結論:密度與能量分開控制＝又快又溫柔。先進蝕刻與填高深寬比溝(HDP-CVD, Ch10)的標配。

翻卡:要化學不要轟擊?

點卡片翻面。
中文重點
考點:HDP 的價值＝密度與轟擊能量分開控制。remote plasma(遠距電漿)更極端:把電漿放在腔外,只送自由基進來、離子留在源頭→純化學零轟擊,用於去光阻(ashing)、清腔、低損傷處理。
Ch8 ‧ §8.2

Implant vs. Diffusion

佈植 vs 擴散對決

為什麼佈植取代了擴散?翻五張卡看四大優勢＋一個代價;右圖回放 Ch5 的輪廓對比——這次注意佈植峰在 Rp(體內),擴散則表面最濃。

五個面向:佈植 vs 擴散

點卡片翻面看對比。

輪廓對比(Ch5 回放)

擴散:表面最濃、單調下降;佈植:峰在體內 Rp——本頁 B3 會親手畫出來。
中文重點
考點:佈植四大優勢＝劑量/深度獨立、室溫(光阻可當遮罩)、精準(~1%)、方向性;代價＝晶格損傷要退火、機台昂貴複雜。擴散兩者綁死於溫度時間、又要高溫,現代淺接面已改用佈植。
Ch8 ‧ §8.3 ‧ ★重點

Ion Implanter Tour

佈植機導覽 ＋ 質量分析器小遊戲

佈植機五大模組:離子源→質量分析→加速→掃描→終端。點束線圖看每一站;再玩「離子海關」——調磁場,只放行對的離子。

束線導覽(點五個模組)

點束線上的橘色圓點,右側顯示該模組職責。
點左圖任一模組
源→選→加速→掃→端。
NIST NanoFab 4Wave IBE-20B 離子束銑磨設備
NIST NanoFab 真實離子束設備：4Wave IBE-20B
REAL TOOL · 真實機台對照

從示意束線回到真空機台

這是氬離子束銑磨機，不是摻雜離子佈植機。兩者都能看到真空系統、離子源與工件端；佈植機另有質量分析、加速束線、劑量積分與傾角控制。

可對照照片找出：機架中的真空管路、腔體本體、操作螢幕與工藝氣體。

NIST 設備資料與規格 ↗

🎯 質量分析器小遊戲:離子海關

目標離子輪流出現;拖磁場滑桿,讓該離子的弧線半徑正好轉進出口狹縫(其他撞壁),按「發射」過關。三種都過→綠勾。
通關進度: ¹¹B⁺ ³¹P⁺ ⁷⁵As⁺
中文重點
五模組口訣:源→選→加速→掃→端。質量分析器＝「離子海關」:磁場只讓正確荷質比(q/m)的離子轉彎通過→同位素級純度。重離子(As)要大磁場才轉得進來,輕離子(B)只要小磁場——半徑 r ∝ √(m·E)/B。
Ch8 ‧ §8.4 ‧ ★本章旗艦互動

Range & Profile Simulator

射程模擬器

佈植輪廓＝以 Rp 為峰的高斯分布:N(x)=Nₚ·exp(−(x−Rp)²/2ΔRp²)。能量調深度、劑量調高度——兩軸完全獨立。選離子、拖能量與劑量,看輪廓即時重畫。

離子 × 能量 × 劑量 → 高斯輪廓

選 B/P/As、拖能量(10–200 keV)與劑量(log);看 Rp/ΔRp/峰值大字;開 log-y、按「三離子疊圖」比較(同能量:B 深、As 淺)。
靜態版：³¹P⁺ 100 keV 在矽中 Rp≈124 nm。能量→深度(Rp)、劑量→濃度；傾角 ~7° 防通道效應；佈植後必退火(修復晶格+活化)。
124
Rp 投影射程 (nm)
45
ΔRp straggle (nm)
8.9×10¹⁹
峰值濃度 (cm⁻³)
LIVE CROSS-SECTION · 粒子落點³¹P⁺ 正在佈植高能量落得深，高劑量落點變多；平均停在 Rp 附近。
中文重點
同能量下,輕離子(B)跑得深、重離子(As)停得淺(碰撞失能快)。改劑量只動峰高、不動深度;改能量才移動 Rp——這就是佈植「兩軸獨立」的威力。劑量＝法拉第杯電流×時間積分而得。
驗算:P/100keV → Rp≈124 nm、ΔRp≈45 nm。拖劑量看峰高上下、深度不動;切 As 看峰往表面靠。開 log-y 看拖尾。等一下 B4 把傾角調 0° 時,這張圖會長出紅色通道拖尾。
Ch8 ‧ §8.4

Channeling

通道效應

單晶有「通道」:離子若順著晶軸滑行,少碰撞→鑽太深、輪廓拖尾,淺接面災難。拖傾角滑桿:0° 直穿通道(上方 B3 輪廓會長出紅色拖尾),≥7° 避開晶軸→回到正常高斯。

傾角 → 是否進入通道

拖傾角(0–10°):看離子在晶格中的路徑(0° 直穿到底、有角度就多重碰撞停在淺處),以及 B3 輪廓圖的紅色拖尾同步出現/消失。
① 傾角 ~7°
避開晶軸,最常用
② Screen oxide
先打散離子方向
③ 預非晶化
Ge/Si 先打成非晶,最徹底
中文重點
考點:channeling＝離子沿晶格通道鑽太深→深度失控。三對策＝傾角 7°、屏蔽氧化層、預非晶化。保齡球道類比:順著溝就一路到底;偏一點角度就撞瓶(原子)停下。傾角佈植也帶出旋轉四次佈植避 shadowing。
Ch8 ‧ §8.4–8.5

Damage, Annealing & Safety

損傷退火 ＋ 安全

打進去只是一半:每顆離子撞出上千個位移原子,as-implanted 摻雜沒有活性(不在晶格位)。必須退火——晶格重建＋摻雜進格位＝活化。連回 Ch5 的 RTP。

佈植損傷 → 退火 → 活化(三步)

按「下一步」:①佈植後晶格亂、摻雜卡在間隙 ②RTA 燈閃加熱 ③晶格復原、摻雜進格位=活化導通。

⚠ 佈植機三重危害(嚴肅看待)

☠ 劇毒氣體
AsH₃、PH₃、BF₃——ppm 級即致命。氣瓶櫃＋偵測器＋SDS 低壓吸附瓶降險。
⚡ 高電壓
數十–數百 kV 靜電加速——連鎖保護(interlock),維修前必放電。
☢ X 射線
高能離子撞擊產生制動輻射——機台屏蔽、劑量監測。
中文重點
佈植＋退火是一組:打進去(佈植)還要安頓好(退火活化)——缺一顆電晶體就不導通。RTA/spike 兼顧最大活化與最小擴散(淺接面標配);注意 TED(瞬態增強擴散):損傷讓 B 短暫狂奔,先進節點頭痛。佈植機是全廠安全規範最嚴的機台。
兩章串聯

The Ion Source IS a Plasma

離子源就是一顆電漿腔

電漿(Ch7)是離子的產生器:佈植機的離子源(B2 最左那一站)就是一顆小電漿腔——同一套「游離＋電場加速」物理。這套物理接下來還要再用兩次:Ch9 電漿蝕刻(用鞘層轟擊做垂直刻蝕)與 Ch10 PECVD / HDP-CVD(用低溫電漿長膜、填溝)。學會這一頁,後兩章等於複習。

隨堂測驗 ‧ QUIZ

Quiz — Ch7 + Ch8

兩章合併測驗(18 題，分章計分)

逐題作答即時看回饋與解說;數值題可直接用上面 B3 模擬器對答案。(教師模式:已直接標出答案)