当前课程知识点:MEMS与微系统 > 第三章 微系统制造技术I—光刻与体微加工技术 > 第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀 > 体微加工技术—时分复用深刻蚀
我们首先来看
目前广泛使用的时分复用法的刻蚀原理
所谓的时分复用法
是一个把刻蚀和保护所结合在一起的
一个刻蚀过程
我们首先来看当你刻蚀的过程中
我们采用六氟化硫作为刻蚀气体
那么六氟化硫是一种典型的
等离子体刻蚀过程
它的刻蚀基本上是各向同性的
所以在第一次刻蚀的过程中
我们在沿着深度方向
有一定的刻蚀结果的时候
也会沿着水平方向产生一定的刻蚀
如果这个刻蚀持续下去
我们没办法得到一个高深宽比的结构
所以在1996年的时候
博世提出了一种
将各向同性刻蚀转化为各向异性刻蚀的办法
就是在进行一个很短的各向同性刻蚀以后
将各向同性刻蚀的气体
也就是六氟化硫先停下来
通入另外一种四碳八氟
这样的一种气体
那么这种气体通入以后
它会在等离子体的作用下
在整个刻蚀的物体的表面
包括上表面形成一层类似于
特氟龙一样的保护层
这种材料能够抑制六氟化硫
对硅的刻蚀
如果仅仅停留到这儿
我们也没办法获得一个高深宽比的结构
那么在保护周期进行几秒以后
我们把保护气体停下来
进一步再次通入六氟化硫
那么第二次通入的六氟化硫
它既有刻蚀的游离基
也有离子存在
离子在加速电场的作用下
会轰击衬底的表面
由于离子轰击具有很强的方向性
它会使得第一次刻蚀结构
暴露出来的衬底表面上的保护层
被离子轰击去除
而侧壁由于离子的方向性
没办法打击到侧壁
所以在刻蚀的过程中
侧壁的材料会留下来
这时候也就是在原来刻蚀结构的底部
又一次开口出一个硅的表面
那么这个时候
就可以再利用六氟化硫进行第二次刻蚀
那么第二次刻蚀结束以后
再进行第二次的保护
同样形成一层表面的保护层
那么把刻蚀和保护
这样的一个过程不断的重复
就形成了一个
由多次各向同性刻蚀所组成的
各向异性刻蚀的结构
换句话说
把原来每一次所获得的
一个各向同性的刻蚀周期的
叠加起来以后
我们就得到了一个各向异性的刻蚀
那么这种各向异性刻蚀
有非常多的参数来评价它的刻蚀性能
这里边包括刻蚀的速率
刻蚀的均匀性以及RIE的延迟
刻蚀的选择比
侧壁的粗糙度以及垂直度等等很多参数
我们在后面会分别介绍
这些参数的影响因素
首先需要跟大家强调一点的是
对于博世的时分复用刻蚀技术
由于它包括了刻蚀周期
包括了保护周期
因此刻蚀周期和保护周期内
所有的参数都会对刻蚀结构
产生一定的影响
同时留给保护周期的工艺窗口
也是比较窄的
在这样的一个情况下
要进行良好的优化需要对所有的刻蚀因素
所产生的影响有一个深入的理解
并且进行多次的实验
根据设备的情况
才能获得一个很好的刻蚀结果
我们利用这两幅图来说明
保护周期的因素对刻蚀结果的一些影响
比如这幅图
是随着保护气体流量
也就是C4F8气体流量的增加
那么刻蚀速率的变化因素
我们可以看出来
对于保护周期是5秒钟这样的一个情况
那么随着保护气的流量不断增加
当达到50个SCCM的时候
那么刻蚀就没办法进行了
同样对于更小的保护周期
那么流量会更低
下面这幅图给大家看到的是
随着保护时间的变化
那么不同的气体流量
得到的是各向同性蚀还是各向异性刻蚀
这样的一个结果
我们可以看出来
对于一个给定的保护时间比如说5秒
那么
只在对应大概将近40个SCCM的时候
我们能够把各向同性刻蚀和
薄膜沉积区分开来
所以对于保护气体来讲
这个窗口是比较窄的
由于刻蚀过程涉及到刻蚀周期和
保护周期
而每一个周期都又涉及到多个参数
所以对于优化
反应离子深刻蚀来讲
这个过程是比较复杂的
我们来看
对于刻蚀速率它受到刻蚀气体的流量
保护气体的流量
刻蚀周期 保护周期的时间比
刻蚀腔里的压强 线圈功率
偏压功率以及快速气阀的开关时间等等
都有关系
再来看横向
一个刻蚀气体流量的变化
可以导致刻蚀速率侧壁粗糙度
以及侧壁的弯曲
以及长草现象
和光刻胶的选择比等等不同因素
都会发生变化
因此这些参数相互影响
牵一发而动全身
改变了一个参数
在获得一种效果的同时
有可能带来负面的影响
因此需要很多参数同时调整
一般情况下
我们会给一个时分复用刻蚀技术的
一个基础工艺参数
那么以这个基础工艺参数
作为出发点
可以对不同的需求进行优化
我们来看对于刻蚀
通常来讲六氟化硫的流量
在100个SCCM左右
刻蚀时间9秒到16秒左右
那么气压基本上是1到10个毫托
功率射频功率是300到1200瓦
那么加速电极的功率
是10到150瓦左右
那么保护周期
我们主要的关心是
C4F8它的流量
一般我们会给30到150个SCCM
那么保护时间大概是5到7秒
我们需要注意的是
为了使刻蚀和保护过程平稳有序的过度
在气体切换的过程中
我们一般会延迟上一种气体
再给一定的流量时间
那么让二者有一个混合气的出现
以保证刻蚀过程的稳定
由于刻蚀以后
会在侧壁存在一层类似特氟龙的薄膜
那么这种薄膜
对有些器件的性能可能会产生影响
因此我们可以考虑
采用一些湿法或者干法的办法
在刻蚀以后
将表面残余的特氟龙薄膜去除掉
时分复用反应离子刻蚀工艺优化的时候
我们需要对影响刻蚀的因素
进行一个深入的了解
在这里边
我们首先从刻蚀的均匀性开始
对于所谓的刻蚀均匀性
我们是指在相同的刻蚀结构
位于硅片的不同位置
它刻蚀速率不一样的这样一种现象
引起这一现象最本质的原因是
刻蚀成分的不均匀性所造成的
因此如果想提高刻蚀的均匀性
我们必须从设备和工艺的角度
来进一步的优化
使整个刻蚀的反应物
在圆片上能够分布的更加均匀
我们来看
对于刻蚀气体 温度 功率的均匀性
那么我们可以通过来增加气体的流量
提高射频功率
同时提高腔体的压强
以及对刻蚀下级板
也就是阴极
它的温度均匀性和
线圈的功率均匀性进行控制
同时我们来减小SF6的流量
增大CCF8的流量
也可以提高刻蚀的均匀性
那么除此以外受负载的影响也很大
在负载比较低
也就是刻蚀的面积比较小的地方
它的刻蚀速率会比较高
在负载比较大
也就是刻蚀面积比较大的区域
它的刻蚀速率会比较低
所以我们在设计的过程中
也要充分考虑这样的一些特点
另外还有位置的影响
由于等离子体
是靠线圈耦合能量所产生的
在靠近线圈的地方
等离子的密度就比较高
在远离线圈的地方
等离子的密度就比较低
那么在设备的实际使用中
会表现在
刻蚀硅片的中心的刻蚀速率比较低
而圆片周围的刻蚀速率会比较高
同时
我们也会发现在刻蚀的周期中
加入少量的氧气
有利于提高刻蚀的均匀性
同时也还有一些其他的效果
但是增加氧气
会降低对光刻胶的选择比
同时也会影响刻蚀的速度
刻蚀的选择比
是反应离子深刻蚀所必须考虑的
另一个重要的因素
由于深刻蚀的深度都比较大
刻蚀时间比较长
因此对于薄膜材料的刻蚀选择比
也就是掩膜的选择比就显得非常重要
通常情况下在室温下进行的刻蚀
光刻胶的选择比能达到50比1左右
随着光刻胶厚度的不断发展
有可能在采用几十微米
甚至于上百微米
厚的光刻胶 一次实现
对几百微米厚的硅片
进行深刻蚀的掩膜
那么除了光刻胶以外
常用的掩膜材料
还包括二氧化硅和金属
二氧化硅和金属与光刻胶相比
它的刻蚀掩膜选择比会更高
比如说二氧化硅
在室温下可以达到100比1
甚至于200比1
那么金属比如说铝或者金
那么它的刻蚀速率是非常非常低的
几乎可以认为它不会被刻蚀
因此可以获得更高的选择比
但是使用二氧化硅和
金属带来的一个问题就是
我们需要去进行一次二氧化硅和
金属的沉积
然后还需要一次刻蚀
这样才能够以二氧化硅
或者金属作为硬掩膜来实现刻蚀
因此
在光刻胶能够实现掩膜选择比的情况下
我们通常
不采用二氧化硅和金属作为刻蚀的掩膜
为了改善选择比
我们通常会降低离子轰击的功率
和电压
由于离子轰击对材料的刻蚀
没有选择性
因此对硅和光刻胶的刻蚀
是同时进行的
降低了离子轰击的电压
就可以提高选择比
刻蚀的过程中
会产生非常明显的非理想的问题
比如这幅图给大家看到的是
一个非常理想的刻蚀结果
对于不同的刻蚀宽度
我们获得了相同的刻蚀深度
并且在刻蚀的开口和终结的地方
结构都非常理想
然而实际上在刻蚀的过程中
会出现这样那样的问题
比如说一个常见的问题就是
刻蚀结构的侧壁并不是垂直于衬底
而是有一定的倾斜角度
同时在掩膜开口的下方
出现了一定程度的横向刻蚀
这个结构表现为一定的不规则结构
为了避免这样的结果
而形成这样的一个刻蚀
我们需要在很多方面进行优化
第一个方面
我们如何去抑制侧壁的起伏
由于时分复用法的刻蚀原理
是将多次的各向同性刻蚀叠加以后
转化为各向异性的
所以每一次刻蚀
都是一个各向同性的结果
多次叠加以后
我们就会得到侧壁看上去
类似于贝壳表面这样的一个起伏
这个起伏的大小
通常在50到150纳米左右的水平
为了抑制这个起伏
我们需要从好几个方面去着手考虑
首先是一个优化参数
其次我们还可以进行刻蚀后的处理
所谓的优化参数
我们可以直观的理解
如果降低每一次刻蚀的时间
会使各向同性刻蚀的程度
不那么明显
这样多次叠加以后
侧壁起伏就会得到抑制
但是降低刻蚀时间
会影响刻蚀速度
所以这是它的负面影响
另外我们可以通过增大偏置电压
来增强各向异性
但是又会影响到了与刻蚀掩膜的选择比
另外我们还可以增大功率和压强比
功率和压强比是一个不同单位的比值
有不同的研究表明
增大功率和压强比
可以进一步减小侧壁起伏
另外我们也可以在刻蚀以后
进行刻蚀后的处理
刻蚀后的处理包括
湿法或者干法的刻蚀
比如说我们前面讲过的
湿法的酸性或者碱性刻蚀技术
在短时间内的漂洗
可以将突出的侧壁起伏把它消除掉
另外 也有研究表明
在刻蚀中增加少量的氧气
可以抑制侧壁的起伏大小
但是它的反面影响
就是它会降低选择比和刻蚀速度
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--概述
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