半導體製程中的氧電漿光阻去除製程解析｜Dry Ashing 原理、設備應用與製程優勢

文╱勀傑科技團隊

在先進半導體製造流程中，光阻去除（Photoresist Removal） 是每一道微影製程後的關鍵步驟。無論是積體電路（IC）、功率元件、先進封裝，或微機電系統（MEMS），晶圓表面殘留的光阻若未完全清除，將直接影響後續蝕刻、鍍膜、鍵合與可靠度表現。

隨著製程節點持續微縮，以及材料結構日益複雜，傳統濕式化學剝離已逐漸面臨極限。因此，氧電漿光阻去除製程（Oxygen Plasma Ashing） 已成為半導體產線的主流方案，具備高潔淨度、高效率、低損傷與環保優勢。

什麼是氧電漿光阻去除製程？

氧電漿光阻去除，又稱：

• Dry Ashing（乾式灰化）
• Plasma Resist Stripping（電漿光阻剝離）
• O₂ Plasma Cleaning（氧電漿清洗）

其原理是將氧氣（O₂）在低壓真空環境中，透過射頻（RF）或微波能量激發形成電漿，電離氣體產生活性氧自由基（O radicals），再與光阻中的有機高分子反應，分解為揮發性氣體排出系統外。

其基本反應是對形成光阻的聚合物鏈進行氧化分解，實際上是在低壓、高溫環境中「燒掉」有機材料。隨後，真空系統將產生的氣體副產物從反應腔室中排出。

氧電漿灰化反應原理

氧電漿中的主要反應物種為：

• O（氧自由基）
• O⁺（氧離子）
• 電子（e⁻）
• 激發態氧分子

其中真正負責去除有機光阻的主體為「中性氧自由基 O」，其可氧化光阻聚合物鏈，生成：

• CO
• CO₂
• H₂O

最終由真空幫浦抽離腔體，完成清潔製程。

製程優勢：

• ✔ 無液體殘留
• ✔ 高均勻性
• ✔ 適合微細結構
• ✔ 可整合自動化產線
• ✔ 降低化學污染風險

半導體產線為何全面導入 Dry Ashing？

一片先進晶圓製程可能需經歷 20～60道微影步驟，每一次曝光後都需進行光阻去除，因此設備效率與穩定度極為重要。

氧電漿製程具備以下關鍵優勢：

1. 高良率製程控制

可透過精準功率、壓力、流量與時間控制，避免過度蝕刻。

2. 適合奈米級線寬

避免濕式清洗造成：

• Pattern Collapse（圖形倒塌）
• 表面張力損傷
• 微結構殘留

3. 環保與ESG趨勢

相較NMP、DMSO等溶劑型剝離液，氧電漿具有以下優勢：

• 無大量危害化學廢液
• 降低VOC排放
• 符合2026全球ESG規範

典型氧電漿光阻去除製程參數

製程參數	常見範圍
氣體種類	O₂ / O₂+CF₄ / O₂+H₂
腔體壓力	0.25–2 Torr
RF功率	100–500 W
溫度	灰化期間為100–200°C
頻率	13.56 MHz
模式	In-situ / Downstream，取決於基板敏感度

Downstream 遠端電漿為何重要？

對先進製程而言，直接電漿轟擊可能造成：

• Low-k材料損傷
• 金屬層氧化
• 元件電性漂移
• UV Damage

因此主流設備多採用 Downstream Remote Plasma（遠端電漿） 架構，僅讓中性自由基到達晶圓表面，大幅降低離子撞擊傷害。 這也是高階晶圓廠與封裝廠指定的重要條件。

光學終點檢測（OES）如何提升良率？

光學終點檢測利用光譜分析法（Optical plasma Emission Spectrum, OES）即時監控灰化過程。當光阻在電漿中氧化時，會產生揮發性副產物（如 CO、CO₂ 和小型碳氫化合物碎片），這些物質會發射特定波長的光（例如 CO 約在 483 nm/520 nm，氫在 486 nm/657 nm）。

在光阻主體灰化階段，這些光學訊號發射強度很強；然而，當光阻接近耗盡時，碳基物種的濃度下降，導致光學訊號迅速下降或趨於平緩。系統據此判斷製程終點，停止產生電漿，確保光阻完全清除，同時防止過度灰化損害底層薄膜。

先進設備普遍搭載：Optical Emission Spectroscopy（OES）。

透過監控反應中產生的：

• CO波峰
• H波峰
• 碳氫碎片訊號

當訊號下降，即代表光阻已去除完成，系統自動停止製程。這樣的好處有：

• 避免殘膠
• 防止過灰化
• 提升批次一致性
• 降低人為判斷誤差

與傳統濕式光阻剝離相比較

傳統的濕式去除方法依賴有機溶劑，如 N-甲基吡咯烷酮（NMP）或二甲基亞碸（DMSO）來溶解光阻薄膜。這些溶劑通常透過加熱槽或噴淋系統施加，滲透並溶浸光阻，促進其去除。通常會使用羥胺等添加劑來增強溶解度，特別是針對交聯或硬化的光阻。

雖然濕式去除有效，但會產生「危險化學廢棄物」，且需要昂貴的處理程序。此外，溶劑本身價格昂貴，增加了整體的營運成本。

相比之下，氧電漿去除製程僅使用工業級氧氣。該製程不產生危險廢棄物，環保性顯著提高，同時在化學品使用和廢棄物管理方面也節省了大量成本。

比較項目	氧電漿去除	濕式化學去除
清潔度	高	中
微細結構適用性	極佳	較差
化學廢液	幾乎無	高
製程速度	快	中
自動化整合	高	中
環保性	高	低

乾式電漿灰化相較於濕式去除法的優勢有以下：

• 高選擇性與材料相容性：僅針對光阻等有機物，對 Si、SiO₂ 或 Si₃N₄ 等無機基板的影響極小。
• 無圖案倒塌風險：由於是乾式製程，避免了濕式製程乾燥期間因表面張力導致的高深寬比結構倒塌。
• 環境安全：主要產生 CO₂ 和 H₂O，消除處理 NMP 或 DMSO 等溶劑的危害。
• 高產能與整合性：單片晶圓設備可在 60 秒內完成處理，易於與蝕刻或微影設備整合。
• 精確控制：透過即時終點檢測提升良率與一致性。

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• 光阻去除
• 表面活化
• 有機污染清潔
• SEM/TEM樣品前處理
• MEMS製程清潔

特別適合：

• 半導體研發
• 封裝實驗室
• 材料中心
• 大專院校微奈米實驗室

結論：氧電漿光阻去除是先進半導體製程關鍵技術

氧電漿乾式灰化是現代半導體製造的基礎技術，提供高選擇性、清潔度與環保性。隨著元件尺寸縮小，電漿工具持續進化，透過先進電漿源與混合化學氣體，滿足日益嚴苛的性能與良率需求。

在晶圓微縮、高階封裝與高可靠度需求持續提升下，氧電漿光阻去除製程已不只是清洗步驟，更是影響：

• 良率
• 可靠度
• 製程成本
• ESG表現
• 自動化能力 的重要核心製程。

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