劉志宏、沈家志 / 工研院機械所
本研究提出一項創新之低碳含氟氣體模組技術，藉由電漿與含氟固態材料反應，以產生適用於腔體清洗及乾式蝕刻製程所需之氟化氣體，其所生成之氣體以低GWP含氟氣體為主（如COF₂與F₂），除可降低尾氣處理設備之依賴，亦能安全並穩定地提供含氟氣體源。本技術透過模組化設計即可即時產生氣體之供應模式，展現優異的場域適合性，並具備取代傳統高GWP氣體（如CF₄、NF₃等）之潛力以降低溫室氣體排放，為半導體產業邁向淨零排放目標提供具前瞻性的減碳方案。
【內文精選】
1.技術原理
文所提出之低碳含氟氣體模組技術，其設計構想與產氣機制，主要係利用反應性氣體（如Ar與O2）與含氟固態高分子材料—聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene; PTFE)在電漿環境中所產生的物理與化學交互作用，以生成具備反應活性的含氟化合物，進而應用於半導體製程中的含氟氣體反應需求，如乾式蝕刻與CVD腔體清洗等。此機制核心在於利用高能電漿環境中之惰性氣體離子（如Ar+）對PTFE表面進行離子表面轟擊，造成高分子鏈的斷裂並
釋放出含氟碳片段（如-CF2-、CF3等）。此時，電漿中富含之氧自由基(O·)與氧原子(O)將與上述含氟物種產生鍵結重組，形成次級含氟化合物，如COF2與F2等具化學活性且低GWP氣體，供後續含氟製程反應與應用，其相關反應機制如圖一所示。
圖一、低碳含氟氣體模組技術之反應機制與應用情境示意圖
與傳統氣體應用方式不同，本模組在整個產氣過程中無需額外引入高GWP的PFCs氣體作為反應原料。其產物尾氣主要為COF2 (GWP <1)、 F2 (GWP <1)以及少量CO2 (GWP = 1)，相較於常見的CF4 (GWP = 7,390)、 C2F6 (GWP = 12,200)或SF6 (GWP = 23,900)等氣體，可大幅降低整體製程的碳排放潛勢。
低碳含氟氣體製程減碳驗證
本文所提出的低碳含氟氣體模組技術，已與台灣半導體設備製造與印刷電路板(PCB)產業鏈進行產學合作驗證，並透過實際製程測試情境（如CVD腔體清洗製程），直接驗證該模組於製程端的應用可行性、效能表現與減碳潛力。
驗證測試中採用標準製程測試載具（例如矽晶圓），以矽材移除速率(Silicon Removal Rate; SRR)作為關鍵技術指標，用以量化評估不同含氟氣體對於含氟氣體製程效率的影響。在實驗條件固定（包含氣體流量、 RF功率、腔體壓力與溫度等項目）下，選用傳統高GWP氣體CF4作為對照基準，並與本模組所產生之低GWP氣體進行對比分析。實驗結果顯示，在相同製程條件下，使用CF4進行矽材蝕刻之速率約為4.15 µm/min，而由低碳含氟氣體模組技術所即時生成之COF2/F2混合氣體，其對應之矽去除速率則為1.26 µm/min，證實其具備基本製程功能性。
為進一步評估環境效益，研究團隊透過傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)對排氣組成進行定性與定量分析，並根據IPCC公告之各氣體GWP值計算出直接碳排當量(CO2e)。雖然低碳模組在單位時間之蝕刻效率僅為CF4製程約三分之一，但經由時間補償與碳當量對應分析，整體系統於完成相同矽材去除量下，直接碳排放量可降低約33%（見圖六）---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖六、低碳含氟氣體製程減碳驗證(vs. CF4)
★本文節錄自《工業材料雜誌》472期，更多資料請見下方附檔。