晶圓蝕刻與擴散是半導體制造中兩個關鍵工藝步驟，分別用于圖形化蝕刻和雜質摻雜。以下是兩者的工藝流程、原理及技術要點的詳細介紹：

一、晶圓蝕刻工藝流程

1. 蝕刻的目的

• 圖形化轉移：將光刻膠圖案轉移到晶圓表面，形成所需的電路或結構（如金屬線、介質層、硅槽等）。
• 材料去除：通過化學或物理方法選擇性去除暴露的薄膜或襯底。

2. 蝕刻分類

• 干法蝕刻：依賴等離子體或離子束（如ICP、RIE）。
• 濕法蝕刻：使用化學腐蝕液（如HF、KOH）。

3. 典型干法蝕刻流程（以ICP為例）

步驟1：裝片與預處理

• 將晶圓裝載至蝕刻機腔室，抽真空至高真空狀態（<10 mTorr）。
• 預熱：通過低溫等離子體（如O?）清潔表面有機物或氧化層。

步驟2：氣體通入與等離子體生成

• 蝕刻氣體：根據目標材料選擇氣體組合：
  • SiO?：CF?/CHF?（氟基氣體）。
  • Si：Cl?/HBr（氯基或溴基氣體）。
  • 金屬（如Al、Cu）：Cl?/BCl?。
• 輔助氣體：Ar（物理轟擊）、O?（促進氧化）。
• 等離子體激發：通過射頻（RF）電場產生高密度等離子體。

步驟3：偏壓控制與蝕刻

• 偏壓功率：施加高頻（如13.56 MHz）偏壓，加速離子垂直轟擊晶圓表面，實現各向異性蝕刻。
• 溫度控制：通過He冷卻或加熱（10-50℃）維持反應穩定性。

步驟4：終點檢測（Endpoint Detection）

• 光學發射光譜（OES）：監測特征譜線強度變化（如Si的特征峰消失）。
• 射頻信號監測：檢測等離子體阻抗變化。

步驟5：清洗與卸片

• 原位清洗：通入O?等離子體去除殘留聚合物。
• 卸片：恢復常壓后取出晶圓，進行后續清洗。

二、晶圓擴散工藝流程

1. 擴散的目的

• 摻雜引入：通過高溫擴散工藝將雜質（如硼、磷）引入硅片特定區域，形成PN結或電阻層。
• 濃度梯度控制：精確控制雜質分布，實現器件電學性能設計。

2. 擴散類型

• 預沉積（Pre-diffusion）：通過薄膜沉積（如LPCVD）在晶圓表面形成摻雜源。
• 驅動擴散（Drive-in）：高溫下推動雜質從表面向內部擴散，形成深度梯度。

3. 典型擴散流程（以硼擴散為例）

步驟1：表面準備

• 清洗：使用RCA標準清洗（SC-1、SC-2液）去除有機物和氧化層。
• 氧化層生長：通過濕法氧化（H?O? + H?SO?）生長薄層SiO?（作為擴散掩模）。

步驟2：摻雜源沉積

• 涂覆摻雜劑：
  • 液態源：涂覆硼酸（H?BO?）溶液，烘干后形成固體薄膜。
  • 氣態源：通過CVD（化學氣相沉積）通入BCl?氣體，分解生成硼原子。

步驟3：預沉積擴散

• 低溫擴散：在N?環境中，700-900℃下使硼原子進入硅片表面（深度約100 nm）。
• 掩模作用：SiO?層阻止硼擴散，未被掩蔽區域形成高濃度摻雜區。

步驟4：驅動擴散（可選）

• 高溫推進：在惰性氣體（Ar）中升溫至1100-1200℃，推動硼原子向硅片內部擴散，形成更深結深（如1-2 μm）。
• 濃度梯度控制：通過時間調控實現雜質分布均勻化。

步驟5：退火與檢測

• 退火處理：N?環境下快速退火（RTP），修復晶格損傷。
• 檢測：四探針測試方塊電阻，橢偏儀測量結深。