FAB PROCESS — ETCH

Wet & Plasma Etching Processes

FABRICATION

01 บทนำ: Wet & Plasma Etching Processes คืออะไร

Etching Processes (กระบวนการกัดกร่อน) เป็นขั้นตอนที่สองที่มีความสำคัญอย่างยิ่งในกระบวนการ Pattern Transfer หลังจากการฉายแสงและพัฒนาฟิล์มไวแสง (Photolithography) เสร็จสิ้นลง โดยทำหน้าที่ส่งผ่านลวดลายจากชั้นหน้ากากไวแสง (Photoresist) ลงไปยังชั้นฟิล์มบางด้านล่าง เช่น ซิลิคอน (Silicon), ซิลิคอนไดออกไซด์ (Silicon Dioxide), หรือโลหะนำไฟฟ้า (Metal) เพื่อสร้างโครงสร้างทรานซิสเตอร์และโครงสร้างเชื่อมต่อที่มีขนาดในระดับนาโนเมตรได้อย่างแม่นยำ

ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่ เทคโนโลยีการกัดกร่อนจะถูกแบ่งออกเป็นสองประเภทหลักตามลักษณะทางกายภาพและเคมี ได้แก่ Wet Etch (การกัดกร่อนแบบเปียก) และ Plasma/Dry Etch (การกัดกร่อนแบบแห้งด้วยพลาสมา) ทั้งสองวิธีนี้มีจุดเด่นและความเหมาะสมในการใช้งานที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง โดย Wet Etch จะใช้สารละลายเคมีเหลวในการทำปฏิกิริยา ซึ่งมีความสามารถในการเลือกกัดเฉพาะวัสดุที่ต้องการได้สูงมาก (High Selectivity) แต่มีข้อจำกัดด้านการควบคุมทิศทางที่เป็นแบบทุกทิศทาง (Isotropic) ในขณะที่ Plasma Etch ใช้พลังงานจากแก๊สพลาสมาในสภาวะสุญญากาศเพื่อทำการกัดกร่อนในแนวตั้งที่เฉพาะเจาะจง (Anisotropic) ซึ่งจำเป็นสำหรับโครงสร้างที่มีสัดส่วนความลึกต่อความกว้างสูง (High Aspect Ratio)

ความเข้าใจในกระบวนการทั้งสองถือเป็นหัวใจสำคัญของวิศวกรโรงงานผลิตแผ่นเวเฟอร์ (Fab/Process Engineer) เนื่องจากประสิทธิภาพของการกัดกร่อนจะส่งผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพการทำงานทางไฟฟ้าของอุปกรณ์ (Device Performance) อาทิ ค่าความจุไฟฟ้าแฝง (Parasitic Capacitance) และความต้านทานของการเชื่อมต่อ (Interconnect Resistance) ซึ่งเป็นดัชนีชี้วัดความสำเร็จในการผลิตชิปตั้งแต่ระดับไมโครเมตรไปจนถึงระดับ Sub-5nm

📍 CAREER ROADMAP CONTEXT

STAGE 04 — ETCH & ION IMPLANTATION: Dry/Wet Etch & Doping
Plasma etch (RIE/DRIE) — selectivity, etch rate, endpoint detection; wet etch (HF, BOE, KOH, TMAH); ion implantation — species, dose, energy; RTA/laser anneal; SIMS verification
Equipment: Lam Research etch tool, Applied Materials implanter, RTA furnace
Path: Process / Fab Engineer

02 หลักการพื้นฐาน

หลักการทำงานพื้นฐานของการกัดกร่อน (Etching Fundamentals) ตั้งอยู่บนหลักการทางอุณหพลศาสตร์และจลนพลศาสตร์เคมี โดยในกระบวนการ Wet Etch อัตราการกัดกร่อน (Etch Rate - ER) สามารถอธิบายได้ผ่านความสัมพันธ์ของอุณหภูมิและพลังงานกระตุ้นตามสมการของ Arrhenius ดังนี้:

$ER = A \cdot \exp\left(-\frac{E_a}{k_B T}\right)$

โดยที่ $ER$ คืออัตราการกัดกร่อน, $A$ คือพรีเอ็กซ์โพเนนเชียลแฟกเตอร์ (Pre-exponential factor), $E_a$ คือพลังงานกระตุ้น (Activation Energy), $k_B$ คือค่าคงที่ของ Boltzmann และ $T$ คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ของสารละลาย นอกจากนี้ Wet Etch ในวัสดุผลึกเดี่ยวอย่างซิลิคอนยังแสดงพฤติกรรมขึ้นกับทิศทางทางผลึกศาสตร์ (Anisotropic Wet Etching) เมื่อใช้สารละลายที่เป็นด่างอย่าง KOH หรือ TMAH โดยโครงสร้างของระนาบผลึกที่มีความหนาแน่นของอะตอมสูงอย่างระนาบ $\langle111\rangle$ จะมีอัตราการกัดที่ช้ากว่าระนาบ $\langle100\rangle$ อย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้เกิดโครงสร้างรูปตัว V (V-groove) ที่มีมุมลาดเอียงทำมุม $54.7^\circ$ กับพื้นผิว

ในส่วนของ Plasma Etch กลไกการกัดจะมีความซับซ้อนยิ่งขึ้นเนื่องจากเป็นปฏิกิริยาร่วมระหว่างเคมีและฟิสิกส์ (Ion-Assisted Chemical Etching) โดยสมการจลนศาสตร์จะถูกปรับปรุงเพื่อพิจารณาผลกระทบจากฟลักซ์ของไอออน (Ion Flux) ที่เข้ามาตกกระทบพื้นผิว:

$ER = k_0 \cdot \exp\left(-\frac{E_a}{k_B T}\right) \cdot \Phi_{ion}$

โดยที่ $\Phi_{ion}$ คือ Ion Flux ที่เข้ามาตกกระทบพื้นผิว พลาสมาจะแตกตัวแก๊สตั้งต้นให้กลายเป็นอนุมูลอิสระ (Reactive Radicals) ที่มีความไวในการทำปฏิกิริยาเคมีสูง และไอออนพลังงานสูง (High-energy Ions) ที่ถูกเร่งด้วยสนามไฟฟ้าให้วิ่งเข้าชนพื้นผิวในแนวตั้ง กลไกนี้ทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบ Anisotropic ที่สมบูรณ์แบบโดยอาศัยแรงกระแทกทางกายภาพ (Physical Bombardment) ร่วมกับการทำปฏิกิริยาเคมีเฉพาะผิวหน้า

ดัชนีชี้วัดที่สำคัญที่สุดตัวหนึ่งคือ Selectivity ($S$) ซึ่งเป็นอัตราส่วนการกัดกร่อนระหว่างฟิล์มเป้าหมายเปรียบเทียบกับชั้นหน้ากาก (Mask) หรือชั้นฐาน (Substrate) ด้านใต้ โดยคำนวณได้จากสมการ:

$S = \frac{ER_{\text{film}}}{ER_{\text{mask}}}$

การปรับปรุงค่า Selectivity ให้มีค่าสูงจำเป็นต้องอาศัยการรักษาสมดุลระหว่างกระบวนการสะสมพอลิเมอร์เพื่อปกป้องผนังด้านข้าง (Polymer Passivation) และกระบวนการชนล้างผิวด้วยไอออนที่บริเวณก้นร่อง (Ion Bombardment Desorption)

03 กระบวนการและขั้นตอน

ในสายการผลิตจริง (Fab Industrial Process) กระบวนการ Wet Etch มักจะทำงานผ่านระบบ Wet Bench (อ่างแช่เคมีอัตโนมัติ) หรือเครื่องพ่นสารเคมีแบบแผ่นเดี่ยว (Single Wafer Spray Tool) ขั้นตอนเริ่มจากการทำความสะอาดผิวหน้าเวเฟอร์ด้วยกระบวนการ RCA Clean ซึ่งแบ่งเป็น SC-1 (NH₄OH:H₂O₂:H₂O) เพื่อขจัดอนุภาคและฝุ่นละออง และ SC-2 (HCl:H₂O₂:H₂O) เพื่อกำจัดโลหะไอออนปนเปื้อน จากนั้นจึงทำการแช่ในสารละลายกรดฟลูออริกเจือจางหรือ BOE (Buffered Oxide Etch) เพื่อเปิดหน้าต่างชั้น SiO₂ อย่างแม่นยำ ก่อนที่จะผ่านขั้นตอนล้างด้วยน้ำบริสุทธิ์สูง (Ultra-Pure Water Rinse) และการปั่นแห้งเพื่อไม่ให้มีคราบน้ำตกค้างบนผิวเวเฟอร์

สำหรับกระบวนการ Plasma Etch ขั้นตอนการทำงานจะดำเนินการภายในห้องสุญญากาศสูง (Vacuum Chamber) โดยมีขั้นตอนปฏิบัติดังนี้:

Gas Injection & Stabilization: ป้อนก๊าซสารตั้งต้นสำหรับการกัดกร่อน เช่น $CF_4, SF_6, Cl_2,$ หรือ $HBr$ ผ่านเครื่องควบคุมอัตราการไหล (Mass Flow Controller - MFC) เพื่อควบคุมความดันและอัตราส่วนผสมของแก๊สในห้องแชมเบอร์ให้คงที่
Plasma Generation: ระบบจ่ายพลังงานคลื่นวิทยุ (RF Power) จะทำการกระตุ้นแก๊สให้แตกตัวเป็นพลาสมา โดยมีการควบคุมพารามิเตอร์หลักสองส่วนคือ Source Power (เพื่อกำหนดความหนาแน่นของอนุมูลอิสระและไอออน) และ Bias Power (เพื่อกำหนดระดับแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ใช้เร่งทิศทางของไอออนเข้าหาผิวแผ่นเวเฟอร์)
Etching and Sidewall Passivation: ขณะที่ไอออนเข้าชนในแนวตั้งเพื่อเปิดผิวสัมผัส แก๊สบางชนิดจะทำปฏิกิริยากลายเป็นฟิล์มพอลิเมอร์บางๆ เกาะอยู่ตามผนังด้านข้าง (Sidewall) ช่วยทำหน้าที่เป็นหน้ากากป้องกันไม่ให้เกิดการกัดขยายออกไปทางด้านข้าง (Lateral Etching) จึงทำให้ได้ร่องที่มีผนังตรงและดิ่งชัน
Endpoint Detection (EPD): เพื่อป้องกันความเสียหายจากการกัดเลยลึกเข้าไปในชั้นโครงสร้างส่วนอื่น (Over-etch) ระบบ EPD จะทำการตรวจวัดด้วยเทคนิค Optical Emission Spectroscopy (OES) เพื่อตรวจจับความยาวคลื่นแสงที่เปลี่ยนแปลงไปเมื่อชั้นวัสดุเปลี่ยนไป ทำให้อุปกรณ์สามารถหยุดการทำงานได้ทันทีระดับเศษเสี้ยววินาทีเมื่อผ่านพ้นอินเทอร์เฟซของฟิล์ม

04 เทคนิคขั้นสูง

เมื่ออุตสาหกรรมก้าวเข้าสู่ยุค Sub-5nm Node ความท้าทายทางวิศวกรรมการกัดกร่อนทวีความรุนแรงขึ้นอย่างมาก ในฝั่งของ Wet Etch ปัญหาที่พบได้บ่อยที่สุดคือ Pattern Collapse (โครงสร้างล้มพับ) เนื่องจากแรงตึงผิว (Surface Tension) ของของเหลวในระหว่างขั้นตอนการทำให้แห้ง (Drying Process) มีค่าสูงเกินกว่าที่โครงสร้างนาโนเมตรที่มีความกว้างเพียงไม่กี่นาโนเมตรจะต้านทานได้ วิศวกรจึงต้องเปลี่ยนมาใช้เทคโนโลยี Supercritical CO₂ Drying (SCD) ซึ่งสารคาร์บอนไดออกไซด์ในสถานะกึ่งวิกฤตจะมีแรงตึงผิวเป็นศูนย์ ปราศจากแรงกระทำต่อผนังโครงสร้าง ทำให้อบแห้งโครงสร้างนาโนได้โดยไม่มีการล้มชำรุด

ในส่วนของ Plasma Etch ข้อจำกัดทางฟิสิกส์ที่สำคัญคือปรากฏการณ์ Aspect Ratio Dependent Etching (ARDE) หรือที่เรียกว่า RIE Lag ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อร่องลึกมีความแคบและลึกมาก ส่งผลให้อนุมูลอิสระและไอออนเคลื่อนที่เข้าไปถึงบริเวณก้นร่องได้ยากขึ้นเนื่องจากเกิดการชนและติดอยู่ตามผนังด้านบน ทำให้อัตราการกัดที่ก้นร่องช้าลงเรื่อยๆ อีกทั้งยังมีปัญหาเรื่อง Plasma Charging Damage (PID) หรือ Antenna Effect ซึ่งเป็นสภาวะที่ประจุไฟฟ้าสะสมบนชั้นออกไซด์จนทำให้เกิดการพังทลายของอุปกรณ์ส่งผลให้ชิปเสียหายในระดับโครงสร้าง

Advanced Solution: เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ได้นำเทคนิค Atomic Layer Etching (ALE) เข้ามาใช้งาน ซึ่งเป็นกระบวนการกัดกร่อนทีละชั้นผิวระดับอะตอมผ่านกลไกแบบทำปฏิกิริยาจำกัดตัวเอง (Self-Limiting) โดยประกอบด้วย 2 ขั้นตอนหลักวนซ้ำไปมา คือการป้อนสารเคมีเพื่อทำปฏิกิริยาเคลือบผิวหน้า (Surface Modification) และตามด้วยการชนล้างด้วยไอออนพลังงานต่ำเพื่อดึงเอาชั้นที่มีการทำปฏิกิริยาแล้วออกไป ทำให้ควบคุมความลึกในการกัดได้แม่นยำระดับชั้นอะตอมเดี่ยว (Angstrom-scale control) และลดผลกระทบทางกายภาพต่อตัวทรานซิสเตอร์แบบ Gate-All-Around (GAA/Nanosheet)

05 เครื่องมือและอุปกรณ์

ในอุตสาหกรรมการผลิตระดับปริมาณมาก (High-Volume Manufacturing) อุปกรณ์สำหรับกระบวนการ Etch จะต้องมีความเสถียรและให้ความสม่ำเสมอทั่วทั้งแผ่นเวเฟอร์ (Uniformity) ในระดับที่สูงมาก ผู้นำตลาดด้านเทคโนโลยี Plasma Etch ได้แก่ Lam Research ด้วยแพลตฟอร์มที่เป็นมาตรฐานวงการอย่าง Kiyo (สำหรับการกัดซิลิคอนและโครงสร้างนำไฟฟ้า) และ Flex (สำหรับการกัดชั้นฉนวนไฟฟ้าที่มีอัตราส่วนความลึกสูงมาก) ส่วนทางด้าน Applied Materials (AMAT) นำเสนอระบบซีรีส์ Centura และ Enabler ขณะที่ Tokyo Electron (TEL) มีระบบที่มีชื่อเสียงอย่าง Tactras

สำหรับอุปกรณ์การกัดแบบ Wet Etch และระบบการทำความสะอาด (Cleaning Tools) บริษัทที่เป็นผู้นำตลาดโลกคือ SCREEN Semiconductor Solutions และ TEL ซึ่งเน้นผลิตภัณฑ์ประเภท Single Wafer Wet Processing System ที่ติดตั้งระบบควบคุมอุณหภูมิสารเคมีแบบเรียลไทม์ และระบบหัวฉีดแบบหมุนเพื่อควบคุมความสม่ำเสมอของปฏิกิริยาเคมีบนหน้าแผ่นเวเฟอร์

Metrology & Inspection: การตรวจสอบคุณภาพหลังการกัดจะใช้ระบบวัดเชิงแสงอย่าง Scatterometry (Optical Critical Dimension - OCD) เพื่อตรวจวัดมิติวิกฤตของโครงสร้างสามมิติแบบไม่ทำลายพื้นผิว และตรวจสอบโครงสร้างภาคตัดขวางเชิงลึกด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดความละเอียดสูง (CD-SEM) หรือกล้อง TEM ในขั้นตอนตรวจสอบขั้นสุดท้าย
Process Simulation Software: ในขั้นตอนการวิจัยและพัฒนาวิศวกรจะใช้ซอฟต์แวร์จำลองโครงสร้าง เช่น Coventor SEMulator3D และ Synopsys Sentaurus Process เพื่อทำนายโปรไฟล์การกัดกร่อน ข้อผิดพลาดจากการเกิด Undercut หรือผลกระทบจาก ARDE เพื่อลดเวลาและค่าใช้จ่ายในการทดลองแผ่นเวเฟอร์จริงในสายการผลิต

06 การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

ในระดับอุตสาหกรรมการผลิตชิประดับโลกของโรงงานสัญชาติยักษ์ใหญ่ อาทิ TSMC, Samsung, และ Intel กระบวนการ Wet และ Plasma Etch เป็นตัวกำหนดขีดความสามารถในการแข่งขันด้านประสิทธิภาพและ Yield ของการผลิตอย่างแท้จริง ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดเจนคือการเปลี่ยนผ่านเชิงโครงสร้างของทรานซิสเตอร์จาก FinFET ไปสู่ Gate-All-Around (GAA/Nanosheet) ซึ่งต้องการกระบวนการกัดกร่อนแบบ Isotropic Selective Dry/Wet Etch ที่มีความจำเพาะเจาะจงสูงมากในการเลือกกำจัดชั้น SiGe เพื่อปล่อย (Release) แผ่น Nanosheet ซิลิคอนให้ลอยตัวอิสระโดยไม่ทำลายโครงสร้างโดยรอบแม้แต่เศษส่วนของนาโนเมตร

นอกจากนี้ ในตลาดกลุ่มชิปยานยนต์และอุปกรณ์สื่อสารความถี่สูงที่ต้องการการรับรองมาตรฐานระดับเข้มงวด เช่น AEC-Q100 และ ISO 26262 กระบวนการกัดจะต้องถูกควบคุมให้มีโอกาสเกิดข้อบกพร่องต่ำที่สุด (Zero-Defect Goal) ปัญหาเล็กๆ เช่น รอยแหว่งทางกายภาพ (Micro-trenching) หรือความเครียดจากความร้อนหลังกระบวนการกัดกร่อน อาจกลายเป็นจุดสะสมความร้อนและความชื้น ซึ่งส่งผลต่อความเสถียรของชิปในระยะยาวภายใต้สภาพแวดล้อมที่โหดร้ายของรถยนต์

จากมุมมองด้านสิ่งแวดล้อมและความยั่งยืน (ESG Goals) อุตสาหกรรมในปัจจุบันกำลังเผชิญกับแรงกดดันในการลดการใช้งานก๊าซฟลูออรีนกลุ่ม F-Gases ($CF_4, SF_6, C_4F_8$) ซึ่งมีค่าศักยภาพในการก่อให้เกิดภาวะโลกร้อน (Global Warming Potential - GWP) สูงมาก โดยหันมาวิจัยสารทดแทนและการพัฒนาระบบกรองแก๊สไอเสียที่มีประสิทธิภาพ ตลอดจนการจัดการสารเคมีอันตรายอย่างปลอดภัย เช่น การกำจัดสารละลายแอมโมเนียและกรดไฮโดรฟลูออริก (HF) เพื่อลดผลกระทบเชิงระบบนิเวศในระยะยาวของห่วงโซ่อุปทานชิปโลก