加上去與刻下去：晶片立體結構的兩把刀
現代晶片是一座奈米尺度的立體城市，動輒有十餘層金屬互連與深寬比超過 50：1 的 3D 結構。這座城市是怎麼蓋出來的？靠兩個交替進行的動作：沉積（deposition） 把材料一層層加上去，蝕刻（etch） 把不要的部分精準刻下去。微影定義圖案，但真正把圖案變成立體結構的，是蝕刻與沉積設備。它們合計佔晶圓設備市場約 三成以上，由 Lam、AMAT、TEL 三家主導。
沉積設備：把薄膜「長」上去
沉積要在晶圓表面鋪一層極薄（從數奈米到數百奈米）的導體、絕緣體或半導體薄膜。三大技術各有腔體設計與取捨：
| 技術 | 原理 | 階梯覆蓋 | 膜厚控制 | 吞吐量 | 典型用途 |
|---|---|---|---|---|---|
| PVD（濺鍍） | 離子轟擊靶材，原子物理沉積 | 差（直線性） | 中 | 高 | 金屬層、阻障層（Ta／TaN） |
| CVD | 前驅氣體表面化學反應成膜 | 中～佳 | 中 | 中～高 | 介電層、鎢填孔、磊晶 |
| ALD | 自限制單原子層反應 | 極佳（保形） | 埃米級 | 低 | High-k 閘極、3D 保形覆蓋 |
CVD：化學氣相沉積的家族
CVD 靠前驅氣體在晶圓表面反應生膜，依激發方式分支眾多：
- PECVD（電漿輔助）：用電漿降低反應溫度，可在已有金屬層（怕高溫）的後段製程沉積介電層。
- LPCVD（低壓）：低壓提升氣體擴散均勻性，膜質佳。
- HDP-CVD（高密度電漿）：邊沉積邊濺鍍，填補高深寬比溝槽不留空洞（void）。
ALD：原子層沉積的精度王者
ALD 把成膜拆成兩個自限制的半反應交替進行：通入前驅物 A（飽和吸附一層）→ 吹淨 → 通入反應物 B（反應生成一原子層）→ 吹淨，如此循環。每循環只長一個原子層（~ 0.1 nm），膜厚由循環數精確控制。因為是表面飽和反應，無論結構多複雜、深寬比多高，覆蓋率都接近 100%——這是 FinFET、GAA、3D NAND 等立體結構不可或缺的能力。代價是慢（單晶圓常 < 30 wph），故只用在非它不可的關鍵層。
蝕刻設備：把材料「刻」下去
蝕刻把微影定義出的圖案轉移到下層材料。分兩大類：
- 濕式蝕刻：用化學藥液浸泡，各向同性（isotropic）——四面八方都刻，會側向掏空（undercut），只適合無方向性需求的場合（如整片去膜）。
- 乾式（電漿）蝕刻：用電漿產生的反應性離子，可達各向異性（anisotropic）——垂直刻深、側壁陡直，是定義細線寬的主力。
兩種電漿源：CCP 與 ICP
乾式蝕刻的核心是電漿源，兩大架構：
| 電漿源 | 全名 | 離子能量 | 電漿密度 | 特性 | 適用 |
|---|---|---|---|---|---|
| CCP | 電容耦合電漿 | 高、方向性強 | 中 | 離子轟擊強，刻深溝 | 介電質深蝕刻、3D NAND 通道孔 |
| ICP | 電感耦合電漿 | 可獨立調控 | 高 | 能量與密度解耦，選擇比佳 | 矽蝕刻、金屬蝕刻 |
蝕刻的三大關鍵指標：
- 各向異性（anisotropy）：垂直／側向蝕刻速率比，決定側壁陡直度。靠離子方向性轟擊＋側壁鈍化（passivation） 達成。
- 選擇比（selectivity）：對目標材料 vs. 下層／光罩的蝕刻速率比，避免刻穿。
- 均勻性與負載效應：全片速率一致性，以及圖案疏密造成的微負載（micro-loading） 偏差。
ALE：原子層蝕刻
對應 ALD，蝕刻也發展出原子層蝕刻（ALE）：把蝕刻拆成自限制的表面改質＋移除兩步交替，每循環只刻一個原子層。當製程進入 GAA、3D NAND 等對深度與均勻性極端敏感的結構，ALE 提供原子級的蝕刻控制，是 EUV 時代搭配的關鍵技術。
高深寬比挑戰：3D NAND 的極限工程
3D NAND 把記憶體單元垂直堆疊（已達 200～300 層以上），要在這疊結構上一次刻穿、形成深寬比超過 60：1 的通道孔（channel hole），是蝕刻工程的聖杯：
- 孔必須從上到下垂直不彎曲（no bowing／no twisting），否則層間短路。
- 仰賴低溫蝕刻（cryo-etch）、高離子能量 CCP、與沉積／蝕刻交替的鈍化策略。
- 蝕刻時間極長，對腔體穩定性與終點偵測（endpoint detection）要求極高。
這也是 Lam Research 在記憶體蝕刻領先的關鍵戰場。
失效模式
- 微負載效應：疏密圖案蝕刻速率不一，造成 CD 偏差。
- side wall bowing：深孔中段被側向掏寬，深寬比越高越嚴重。
- 電漿損傷（plasma damage）：高能離子轟擊損傷下層元件或介電質。
- 沉積空洞（void）：高深寬比溝槽填料時若覆蓋率不足，中間留空，後續形成可靠度隱患。
- 顆粒污染：腔體內壁沉積物剝落（flaking）成為缺陷源，故腔體需定期清潔（chamber clean）。
供應商格局
| 供應商 | 沉積強項 | 蝕刻強項 |
|---|---|---|
| Lam Research | ALD、ECD（電鍍銅） | 記憶體深蝕刻、ALE（市佔領先） |
| Applied Materials | PVD、CVD、磊晶（最廣） | 導體蝕刻、介電蝕刻 |
| Tokyo Electron（TEL） | 塗佈、ALD | 蝕刻（與 Lam 競爭） |
這三家在蝕刻與沉積形成寡占，與微影的 ASML、量測的 KLA 共同構成出口管制鎖定的設備關鍵節點。
小結
沉積與蝕刻是「加」與「減」的對偶藝術：PVD／CVD／ALD 決定材料怎麼長上去、CCP／ICP／ALE 決定材料怎麼刻下去。當製程進入 3D 立體與原子尺度，這兩類設備從「均勻成膜、垂直刻線」升級到「原子層精度的保形與各向異性控制」。理解它們的核心指標——覆蓋率、選擇比、各向異性、深寬比——就掌握了晶片立體結構的建造邏輯。
延伸閱讀：〈晶圓廠五大類設備機台〉、〈薄膜沉積：CVD 與 PVD〉、〈蝕刻：乾式與濕式〉。