1974 - 電漿蝕刻（乾式蝕刻：化學與物理的合謀，讓刻痕變直）#

案件摘要#

1973–74 年，TI 的 Alan Reinberg 獲得徑向流平行板電漿反應器專利（US 3,757,733）， Tegal 等公司出貨第一批商用電漿蝕刻機——乾式蝕刻誕生。 1979 年 IBM 的 Coburn 與 Winters 發現離子增強化學蝕刻（ion-enhanced etching）：

\[ \underbrace{\text{化學（氣體蝕刻）}}_{\text{等向性、快}} + \underbrace{\text{物理（離子轟擊）}}_{\text{異向性、慢}} \xrightarrow{\text{協同}} \text{快 100 倍且直線蝕刻} \]

這是電漿蝕刻的物理心臟——濕式蝕刻從此退居清洗，圖形開始變「直」。

前因 -- 為什麼會有這個案子#

濕式蝕刻的等向性噩夢：酸液四面八方同速攻擊——側蝕（undercut）≈ 深度：

\[ W_{final} = W_{mask} - 2 \cdot d_{etch} \quad (\text{側蝕吃掉線寬}) \]

3 μm 線寬 + 1 μm 深度 → 側蝕 2 μm——線寬崩潰。 - 1968–71 的前奏：Bell Labs 用 O₂ 電漿除膠（ashing）—— 電漿在晶圓廠的第一個用途是「燒掉光阻」，不是蝕刻。 - Reinberg 的反應器：1971–73 年在 TI 開發徑向流平行板結構—— 電極對稱、氣流均勻——商用化的關鍵工程。 - Tegal 的商業化：1972 年成立（Petaluma, CA），1974 年前後出貨第一批商用電漿蝕刻機（Si₃N₄ 蝕刻）——乾式蝕刻從此是商品。

線索與推理 -- 數學式、程式、理論#

第一條線索：電漿物理（蝕刻機裡的第四態）#

RF（13.56 MHz）電場游離氣體： - 電子溫度 \(T_e \approx 2\text{–}5\) eV（比氣體溫度高 100 倍——非平衡電漿）； - 電子密度 \(n_e \approx 10^9\text{–}10^{11}\) cm⁻³； - 離子被鞘層（sheath）電場加速，垂直轟擊晶圓——異向性的來源。

第二條線索：Coburn–Winters 實驗（1979，離子增強蝕刻的發現）#

經典偵探實驗：XeF₂（化學蝕刻矽）+ Ar⁺（物理濺鍍）對矽的攻擊：

條件	蝕刻率	結果
只有 XeF₂	慢（等向性）	化學反應慢
只有 Ar⁺ 轟擊	慢（物理濺鍍）	濺鍍產率低
XeF₂ + Ar⁺ 同時	快 100 倍	協同效應！

偵推：離子轟擊把表面「打傷」（產生活化位、清除鈍化層）→ 化學蝕刻在被打傷處加速——化學提供速度、物理提供方向。

第三條線索：RIE 與異向性（反應離子蝕刻的數學）#

非對稱電極（小面積陰極）自偏壓（DC bias）→ 離子能量 100–500 eV： - 蝕刻率： \(E_A\) （膜 A）；選擇比： \(S = E_A / E_B\) （對底下膜的攻擊比）； - 異向度： \(A_f = 1 - \frac{v_{lat}}{v_{vert}}\) （1 = 完全直線）； - 側壁鈍化：CF₄ 中加入 O₂/CHF₃ → 聚合副產物沉積在側壁 → 保護側壁 → 更直。

第四條線索：刻蝕的三種模式（選型偵探學）#

模式	方向性	選擇比	用途
化學蝕刻（等向）	✗	高	剝膜、大線寬
物理濺鍍（異向）	✓	低	純物理，傷晶圓
離子增強（RIE）	✓	中–高	先進微影的一切

第五條線索：Bosch 製程（1994）——深蝕刻的交替法#

\[ \text{SF}_6\text{（蝕刻）} \leftrightarrow \text{C}_4\text{F}_8\text{（鈍化）交替} \]

每個循環：蝕刻一小步 → 側壁鈍化一層 → 再蝕刻——梯形（scalloped）側壁；
深寬比可達 50:1——MEMS、TSV（3D 封裝，見 2024-先進封裝設備.md）的基礎。

結案 -- 後果與影響#

濕式退居清洗：1975 年後蝕刻 = 乾式；濕式只剩清洗與剝膜。
設備公司版圖：Tegal → Lam Research（1980，單片式，見 1982-LamResearch蝕刻.md） → AMAT、TEL、Hitachi——蝕刻成為「化學廚房」最複雜的設備。
IC 技術的解放：乾式異向蝕刻 + 步進機微影 = 1.5 μm → 次微米的鑰匙。
1990s–2000s 演化：ICP（電感耦合，獨立控制離子密度與能量）→ 高深寬比蝕刻（DRAM 電容 100:1）→ ALE 原子層蝕刻（2015+）—— 每次只剝一層原子。
偵探教訓：Coburn–Winters 的協同效應是「實驗先於理論」的教科書—— 他們發現了 100 倍加速，理論（離子致缺陷加速化學反應）是事後補寫的。

關鍵人物與文獻#

Alan Reinberg（TI, 1973）：US 3,757,733 徑向流平行板反應器；PECVD 的父親。
J. Coburn / H. Winters（IBM, 1979）：〈Ion- and electron-assisted gas-surface chemistry〉——離子增強蝕刻的發現。
Tegal（1972）：第一批商用電漿蝕刻機。
Robert Bosch GmbH（1994）：Bosch 深蝕刻專利。
相關案件：1982-LamResearch蝕刻.md、1994-HDPCVD.md、2024-先進封裝設備.md。