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干法刻蚀和湿法腐蚀

下一节:干法刻蚀中的若干问题

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干法刻蚀和湿法腐蚀课程教案、知识点、字幕

诸位同学大家好

今天让我们学习微纳加工技术

这门课的第六章 图形转移技术

大家知道集成电路也好

其他的微纳电子器件也好

其制造过程有点像做三明治

淀积一层所需的薄膜

把薄膜加工成所需的图形

再淀积的另一层薄膜

再把这层薄膜也加工成所需的图形

周而复始就完成整个制造流程

这里所说的把薄膜加工成所需的图形

实际上是靠两类工艺手段实现的

一个是通过光刻

在薄膜上形成光刻胶的图形

在这方面我们在第五章的光刻技术中

已经给大家介绍了

另一种是利用这层光刻胶作为掩蔽

把光刻胶的图形转移到衬底

或者淀积的介质或金属薄膜上

这类加工技术就是我们今天要讲的

第六章 图形转移技术

这一章我们将分两节给大家讲授

第一节讲湿法腐蚀和干法刻蚀

第二节讲干法刻蚀中的若干问题

让我们先看第一节湿法腐蚀和干法刻蚀

刚才提到所谓图形转移

就是利用光刻胶作为掩蔽

通过物理和化学的办法把下面的衬底

或薄膜材料中没有被掩蔽的部分腐蚀掉

腐蚀的方式不外乎两种

湿法腐蚀和干法刻蚀

湿法腐蚀是指用化学试剂进行腐蚀

干法刻蚀则是指又在腐蚀气体的气氛下

完成腐蚀

为了增强腐蚀气体的化学活性

通常我们将腐蚀气体激发成

等离子体的状态

从腐蚀的效果看可能的结果有三种

如这张图所示

一 各向同性的

即以光刻胶的暴露的表面为起点

向下和向两侧的腐蚀速度相同

这样加工的薄膜图形

将比光刻胶所定义的窗口

每边大出一个薄膜厚度的尺寸

二 完全各向异性的

也就是说从光刻胶暴露的表面作为起始点

腐蚀的方向只向下进行

而不向两侧扩展

这样加工的图形

将与光刻胶定义的窗口完全一致

当然还有第三种可能是介于两者之间

就是部分的各向异性

那么腐蚀的过程向下推进

同时也向两侧扩展

但是速率不一样

现在集成电路的特征尺寸不断缩小

图形本身的尺寸以及图形之间的间隔

往往只有几十纳米的量级

而薄膜的厚度从几纳米到几百纳米不等

有时甚至于比几百纳米还要厚

这时我们往往希望图形转移的过程

是完全各向异性的

也就是说定向性是我们往往追求的

一个最重要的指标

那让我们首先看看湿法腐蚀

湿法腐蚀就是我们熟悉的

用化学试剂来腐蚀

通常湿法腐蚀都是各向同性的

也就是说它同时向下和向两边腐蚀

那么除了腐蚀液的这个浓度以外

从工艺控制上最重要的就是腐蚀温度

大家知道化学反应的速度与腐蚀温度

是有很大关系的

但是并不是所有的湿法腐蚀

都是各向同性的

那么有的时候在特定的腐蚀液下

有时候也可以做到各向异性的

你譬如说最典型的就是氢氧化钾

氢氧化钾对于硅的腐蚀

它与这个晶向是有很大的关系的

那么氢氧化钾腐蚀硅的时候

它在腐蚀100面的晶向的时候

腐蚀速度很大

那么在111面的时候腐蚀速度很小

100面的腐蚀速度往往是111面的一百倍以上

利用这一点我们也可以做到各向异性的腐蚀

像这个图所示

那么也就是说沿100方向的腐蚀

最后停在111面上

我们可以加工很完美的

三角形的这样一个腐蚀的断面

所以湿法腐蚀就是我们通常的化学试剂腐蚀

它通常是各向同性的

但是有个别的腐蚀液

也可以做到各向异性的腐蚀

我们再讲一下干法腐蚀

干法腐蚀就是在腐蚀气氛下

来完成这样一个腐蚀过程

腐蚀气氛往往腐蚀速率是比较低的

我们为了增强其化学活性

往往把腐蚀气氛激发成等离子体的状态

等离子体可以大幅度的提高化学反应的速率

当然 为了形成等离子体

我们往往在低压下进行

同时干法腐蚀

我们要求腐蚀的反应生成物必须是挥发性的

这样的话它挥发走了之后

才能够使得后续的反应得以进行

典型的干法腐蚀的设备是如图所示

它是在一个真空腔体内

一个电容结构

那么wafer是搁到下电极上

上下电极加一个射频

可以产生等离子体

腐蚀气体是通过质量流量计控制

然后达到这个反应腔体以内

这个腐蚀的理化过程中最重要的

是一个所谓的离子轰击过程

大家知道电容极板的等离子体的状态下

等离子体与衬底表面会产生一个壳层

这个壳层产生的自电电势

会加速这个离子轰击到衬底表面

这个离子的轰击能量

往往能在10到700电子伏这样一个状态

那么离子的轰击会大幅度增强腐蚀的效果

使得腐蚀的速率在等离子体腐蚀的基础上

再提高几倍到几十倍的作用

这个离子轰击的过程

是定向腐蚀的一个最主要的机制

它主要是两个方面

一个方面就是离子轰击破坏了

轰击面的原子键

使得化学反应可以更有效的进行

另外这个离子轰击也会使得

这个化学反应的生成物被打掉

使得新鲜的界面暴露出来

使得化学反应得以进行

那么这个图给出了

这个离子轰击的一个示意图

离子轰击的过程中还有一个重要的特性

就是说化学反应之后

生成的这个生成物这个Polymer

它会淀积在这个侧壁

这个生成物Polymer会对侧壁产生一个保护作用

使得整个的反应向下进行的比较快

而向两侧由于反应生成物Polymer的这个保护

使得侧壁反应比较慢

在实际的刻蚀中

我们往往是需要它的等离子体的强度比较高

这时候我们往往不用刚才说的

电容这样一个产生等离子的结构

而是产生所谓的ICP的这样一个

也就是Inductor Coupled Plasma

就是电感耦合的这个等离子体

这张图给出了我们集成电路里

经常用到的一个干法刻蚀系统

所谓的ICP刻蚀系统

就是Inductively Coupled Plasma

就是电感耦合的等离子体的这样一个状态

一个系统

它的好处是用电感耦合

来产生高密度的等离子体

而不是用电容耦合

这样的话它可以把这个壳层轰击电压

与等离子体的密度

这两个视镜接耦合

可以单独的提高等离子体的密度

同时单独的调节轰击电压

在干法刻蚀中我们有两个参数值十分关注的

一个是各向异性用这个A表示

那么它实际上是刻蚀深度与侧向展宽的

这样一个比率

另外一种一个参数是选择性

选择性就是说我刻蚀某一种材料

而对另一种材料它的刻蚀速率非常低

那我们现在看一下

集成电路里典型的刻蚀的一些这个材料

你譬如说刻蚀硅和二氧化硅

那么刻蚀硅和二氧化硅的时候

我们用的这个化学活性元素都是氟基

我们利用氟基来刻蚀硅和二氧化硅

在刻蚀的气氛中我们往往会加入少量的氧气

这个氧气的作用是去除反应生成物的这个Polymer

那么我们看这两张图

左面这张图是显示了

这个在氟基刻蚀硅的过程中氧气含量增加

那么刻蚀速率的变化

可以看到当氧气含量比较少的时候

随着氧气含量的增加

刻蚀速度也是增加的

这对应着背后的物理机制

是随着氧气气氛的增加

那么氧气去除生成物Polymer的这个作用在增加

那么使得不断的有新鲜的表面暴露出来

所以随着氧气气氛的增加

那么整个的这个反应速度会增加

那么随着这个氧气气氛进一步的增加

腐蚀速率会下降

那么这里头背后的物理机制

就是氧气太多了

以至于冲淡了氟基气体的浓度

使得整个这个反应受氟基反应速度的限制

我们看右边这张图

右边这张图是用氟基气体

刻蚀硅和二氧化硅速率的对比

那么我们同时把这个气氛里加入少量的氢气

氢气的引入会使得这个反应生成物

它的会产生一些这个复杂的化学变化

那么可以看到随着氢气的引入

对二氧化硅的刻蚀速率

和对硅的刻蚀速率都是下降的

那么也就是说氢气抑制了Polymer的一个挥发

但是这两种下降的速度是不一样的

对于二氧化硅下降速度比较慢

而对于硅下降速度比较快

就是二氧化硅对硅的选择比较高的话

那么我们可以适当的引入比较多的氢气

来抑制对硅的这个刻蚀速度

来达到比较高的选择比

所以同学们可以看到

也就是说在干法刻蚀的过程中

我们可以通过引入少量的氧或氢

来调节反应速度和选择比

这张表给出了我们集成电路里典型的几种材料

譬如说二氧化硅 氮化硅 硅 多晶硅等等

它刻蚀所用的气体

我们可以看到我们有很多反应气体可以选择

每一种反应气体它的刻蚀速率

以及它的这个选择比特性都是不一样的

我们可以根据不同的工艺要求

那么选择不同的这个反应气体

和加入辅助的氧气氢气这样的气体

来达到我们工艺要求的这个条件

总的来说我们对比一下

湿法腐蚀和干法刻蚀不同的特点

湿法腐蚀已经说了

它就是一个液体的化学反应

它的好处是比较简单

对下面的衬底损伤比较小

而且化学选择性

它的这个选择性完全靠化学这个特性来保证

所以选择性比较高

干法刻蚀它的好处是重复性比较好

而且能通过离子轰击

能达到各向异性

也就是说定向的这个腐蚀

但是它的这个坏处就是说

它的选择性往往没有湿法腐蚀好

另外它对衬底有一定的损伤

让我们看一段关于湿法腐蚀

和干法刻蚀的影像资料

湿法腐蚀基本上是各向同性的腐蚀方式

垂直和侧向刻蚀速率比约为1.2比1

这样会导致光刻胶覆盖边缘下方的部分被腐蚀

使得腐蚀转移后得到的图形和掩膜版的有偏差

所以湿法腐蚀不适合在更小尺度下进行刻蚀

为了得到高方向性的各向异性的刻蚀

如今通常使用干法刻蚀来实现

干法刻蚀在等离子体条件下

气体中包含卤族元素或F原子

当这些气体处在强电场环境下

就会形成等离子体

气氛中的自由电子被加速成高能电子

这些高能电子打破了一些分子间的化学键

使气体分子分裂成一些离散的离子和分子

这些分裂出来的带电离子

具有很高的化学反应活性

例如氟离子是化学反应刻蚀中很重要的反应物

而分离出来的CF2则能够保护侧壁不被侵蚀

氩气可能会丢失一个电子而形成氩离子

氩离子能够通过物理轰击来刻蚀硅片表面

达到没有选择性的物理刻蚀

被轰击之后

原子中的电子可能会跃迁到更高能级

当这些电子再次跃迁回低能级的时候

会将多余的能量以特定波长的光的形式释放

很多因素能够对干法刻蚀产生影响

例如压力 气体流量 射频功率

温度和腔体几何形状

这些因素都很重要

它们决定了等离子体的密度和能量

而腔体的几何形状除外

这个因设备厂商不同而不同

主要是为了适应不同的刻蚀应用而设计

干法刻蚀中将会用到很多反应腔

如这台组合设备使用相同的机械臂

获取不同盒中的硅片来实现不同材料的刻蚀

二氧化硅的干法刻蚀取决于

物理和化学刻蚀过程

这台介质刻蚀机可以刻蚀氧化硅 氮化硅等

查看内部结构,我们能看到一些进气的小孔

这个圆环上的缺口用于引导气体到硅片表面

反应后气体会从硅片上方的小孔中被吸走

定盘作为等离子体激励源的阴极

加热后的气体将从小孔中导出填满

定盘和硅片之间的间隙

从而提供均匀的温度

真空泵用于抽走腔体中的空气来实现真空

标准大气压下 气体分子密度高 自由程短

当泵将大部分气体抽出 气体分子密度大大降低

这给了电子足够的距离加速到足够高的速度

在10Torr的大气压下

连接分子泵的气阀被打开

分子泵将腔体中的气压降至0.1毫米汞柱

这个低气压对于良好的刻蚀控制是很必要的

之后气阀关闭密闭腔体使腔体内保持低气压

对于电介质刻蚀

这个气压大概是100毫米汞柱

一个接触腔体的气压计用于测量腔体内的气压

含有碳的氟气将刻蚀二氧化硅的第一层原子

这种情况下

CF4和CHF3的混合气将用于化学反应刻蚀

氩气用于物理刻蚀

气体流量计控制注入腔体的每一路气体的流量

电脑会监测和控制每一路气体的

流量和腔体压力

一旦气体流量和腔内压力稳定

射频源将被开启

RF射频源输出33.6MHz的射频电流

一个匹配电阻网络将改变电阻来匹配等离子体

这可以保证射频源

和等离子体之间能够有效耦合

在容器和接地腔之间的电场加速电子

这些电子撞击分子使其裂解成电子

和原子来产生等离子束

在腔体周围线圈用来产生旋转磁场

该磁场迫使这些原子在螺旋的路径上

使得Plasma更长创造更多的裂解

这也可以避免因为碰撞腔体侧墙

而造成电子损失

大部分的裂解发生在Plasma的发光区

当微小的电子逃出Plasma边缘

向电极移动时

留下一个黑色的阳离子片

该离子片阻止发光区的电子逃逸

并使得硅原片处于负电位

阳离子朝着硅原片垂直加速

形成物理的 各向异性的刻蚀

由Plasma产生的自由粒子

和CF3粒子努力向硅原片表面靠近

在离子的作用下

他们与二氧化硅发生具有选择性

各向同性的化学刻蚀

去生成SiF4

CF2分子碎片形成与表面附着的聚合物

通过单裸露Ar原子来去除水平方向上的聚合物

从而使得刻蚀发生

但是在侧墙上的残留物阻止了横向化学刻蚀

更低温度可以增强聚合物的淀积

但如何温度太低

太多的淀积会发生 这会阻挡进一步刻蚀

从反应来的多余热量通过硅原片背面一侧散出

以便维持硅圆片温度在15摄氏度左右

通过检测CO的波长可以确定刻蚀结束的时间

一旦SiO2被刻蚀完

CO水平降低的很快

标志刻蚀结束

那我们做一下本节的小节

湿法腐蚀是一个纯化学的过程

干法刻蚀它的理化过程主要有这么几项

一个是气体的化学腐蚀

第二就是为了增强这个气体的化学腐蚀

我们往往把这个气体

把它激发成等离子体

等离子体的化学活性会比气态高很多

增强整个化学的反应速度

但是等离子体的腐蚀它往往是各向同性的

为了增加各向异性

我们再利用等离子体的壳层

加速壳层里的电场 加速离子

使得离子轰击到腐蚀表面

这样可以进一步的增强轰击面的化学反应速度

同时

生成物在这整个反应过程中也起很大的作用

生成物沉积到这个侧壁

那么会对侧壁起一个保护的作用

这样使得刻蚀定向性更好

那么了解清楚这样一个整个的理化过程之后

我们就可以对整个反应过程的

它的选择比 定向性

以及轰击损伤这几个因素做一个具体的权衡

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