第十一章 刻蚀

第 11 章 刻 蚀
选择曝光
显影（ 次图形转移） 显影蚀（
去胶
对刻蚀的要求 1、适当的刻蚀速率 、 通常要求刻蚀速率为每分钟几十到几百纳米。 通常要求刻蚀速率为每分钟几十到几百纳米。 2、刻蚀的均匀性好（片内、片间、批次间） 、刻蚀的均匀性好（片内、片间、批次间） 大量硅片同时刻蚀时， 刻蚀均匀性一般为 ±5%。大量硅片同时刻蚀时，刻蚀速 率会减小， 负载效应。 率会减小，这称为刻蚀的 负载效应。 3、选择比大 、 选择比指对不同材料的刻蚀速率的比值。 选择比指对不同材料的刻蚀速率的比值。 4、钻蚀小 、 5、对硅片的损伤小 、 6、安全环保 、
US (θ )
1019 cm/s US (θ) = S(θ)cosθ ( ) 2 1.6n A/cm
式中， 式中，n 为被溅射材料的 原子密度。 原子密度。 0
S (θ )
30o 60o 90o
溅射率与离子能量的关系
Va = 25 −150V: Va =150 − 400V: Va = 400 − 5KV: Va = 5K − 20KV:
筒式等离子体刻蚀反应器的 缺点 1、为各向同性腐蚀，存在侧向钻蚀，分辨率不高； 、为各向同性腐蚀，存在侧向钻蚀，分辨率不高； 2、负载效应大，刻蚀速率随刻蚀面积的增大而减小； 、负载效应大，刻蚀速率随刻蚀面积的增大而减小； 3、均匀性差； 、均匀性差； 4、不适于刻蚀 SiO2 和 Al。 、 。
选择离子的原则 1、质量 、 质量为 M2 的靶原子从质量为 M1 的入射离子获得的能量为
4M1M2 E= E0 2 (M1 + M2 )
dE d2E 令 = 0，可得 M1 = M2 ，且 < 0 ，这时靶原子 2 dM1 dM1
可获得最大能量， 所以为获得最好的溅射效果， 可获得最大能量，即 Emax = E0 。所以为获得最好的溅射效果， 应选择入射离子使其质量尽可能接近靶原子。 应选择入射离子使其质量尽可能接近靶原子。
KTER : 39， AZ1350 : 60， PMMA : 84， ， ， ， 上述数据说明，离子溅射的选择比很差。 上述数据说明，离子溅射的选择比很差。
二、离子束溅射刻蚀装置 1、聚焦方式离子束溅射刻蚀 设备的基本原理与聚焦离子束曝光装置相同， 设备的基本原理与聚焦离子束曝光装置相同，离子源通常 采用 LMIS。也可采用等离子体型，离子通常用 Ar+。 。也可采用等离子体型， 优点：无需掩模与光刻胶，刻蚀深度范围大。 优点：无需掩模与光刻胶，刻蚀深度范围大。 缺点：刻蚀效率低，设备复杂昂贵。 缺点：刻蚀效率低，设备复杂昂贵。 2、掩模方式离子束溅射刻蚀 通常采用光刻胶作掩模。有两种类型的刻蚀装置。 通常采用光刻胶作掩模。有两种类型的刻蚀装置。 (1) 离子源与加工室分离的，如考夫曼型，离子源气压为 离子源与加工室分离的，如考夫曼型， 10-2 ~ 10-4 Torr ，加工室气压为 10-5 ~ 10-7 Torr。 。 (2) 离子源与加工室一体的，如射频型，气压为 10-2 Torr。 离子源与加工室一体的，如射频型， 。
2、平板式反应器 平板式反应器
射频源
阴极
气体
阳极
硅片放在阳极上。这种刻蚀以化学刻蚀为主， 硅片放在阳极上。这种刻蚀以化学刻蚀为主，也有微弱的 物理溅射刻蚀作用。 物理溅射刻蚀作用。离子的能量可以促进原子团与硅片之间的 溅射刻蚀作用 化学反应，提高刻蚀速率，同时使刻蚀具有一定的各向异性， 化学反应，提高刻蚀速率，同时使刻蚀具有一定的各向异性， 速率 刻蚀具有一定的各向异性 使分辨率有所提高。 使分辨率有所提高。
S ∝ (Va −V0 )2 , S ∝ (Va −V0 ), S ∝ Va , S ∝ lgVa ,
Va = 20K − 50KV: S 呈 饱 甚 下 。 现 和 至 降
式中， 为临界电压， 式中，V0 为临界电压，对金属靶约为 25 V 。 入射离子能量更高时，离子将进入固体内较深的区域， 入射离子能量更高时，离子将进入固体内较深的区域，这 时表面溅射反而减小， 时表面溅射反而减小，成为 离子注入 。
Wafers RF electrode Gas in Reaction chamber Wafers
RF generator
Quartz boat
Vacuum pump
典型工艺条件 射频频率： 射频频率：13.56 MHz 射频功率： 射频功率：300 ~ 600 W 工作气体： 去胶） 工作气体： O2（去胶） F 基（刻蚀 Si、Poly-Si、Si3N4 等） 、 、 F 基 + H2（刻蚀 SiO2 等） 气压（真空度）： ~ 10 Torr 气压（真空度）：0.1 ）： 分辨率： 分辨率：2 µm
11.3 干法刻蚀基本分类
等离子体刻蚀（化学作用） 等离子体刻蚀（化学作用） 反应离子刻蚀（物理化学作用） 反应离子刻蚀（物理化学作用） 离子铣刻蚀（物理作用） 离子铣刻蚀（物理作用）
11.4 等离子体刻蚀
一、等离子体刻蚀机理 除了含有电子和离子外， 在低温等离子体中 ，除了含有电子和离子外，还含有大量 化学性质活泼的中性原子团。 处于 激发态的游离基 和 化学性质活泼的中性原子团。正是利用 游离基和中性原子团与被刻蚀材料之间的化学反应 ，来达到刻 --卤 蚀的目的 。对硅基材料的基本刻蚀原理 是用 “ 硅--卤 ” 键代 替 “ 硅--硅 ” 键 ，从而产生挥发性的硅卤化合物。 --硅 从而产生挥发性的硅卤化合物。
常用腐蚀液举例 1、SiO2 腐蚀液 BHF：28 ml HF + 170 ml H2O + 113 g NH4F ： 2、Si 腐蚀液 Dash etch: 1 ml HF + 3 ml HNO3 + 10 ml CH3COOH Sirtl etch: 1 ml HF + 1 ml CrO3 ( 5 M 水溶液 ) Silver etch: 2 ml HF + 1 ml HNO3 + 2 ml AgNO3（0.65 M 水 溶液），（用于检测外延层缺陷） ），（用于检测外延层缺陷 溶液），（用于检测外延层缺陷） Wright etch: 60 ml HF + 30 ml HNO3 + 60 ml CH3COOH + 60 ml H2O + 30 ml CrO3 ( 1g in 2 ml H2O ) + 2g (CuNO3)23H2O ， 此腐蚀液可长期保存） （此腐蚀液可长期保存）
几种常用材料的相对溅射率 （条件：Ar+，1 kV，1mA/cm2，5×10-5 Torr，单位 nm/min） 条件： ， ， ） Si : 36， ， Al : 44， ， GaAs : 260， SiO2 (热氧化 : 42， ， 热氧化) 热氧化 ， Au : 160， ， Cr : 20， ，
二、等离子体刻蚀反应器 1、圆筒式反应器 这种反应器最早被用于去胶， 这种反应器最早被用于去胶，采用的刻蚀气体是 O2 。后来 反应器最早被用于去胶 屏蔽筒的作用是避免晶片与 又利用 F 基气体来刻蚀硅基材料 。屏蔽筒的作用是避免晶片与 等离子体接触而产生损伤，同时可使刻蚀均匀。 等离子体接触而产生损伤，同时可使刻蚀均匀。
非挥发性的反应产物在侧壁的淀积也可实现一定程度的各 向异性刻蚀 刻蚀。 向异性刻蚀。
典型工艺条件 射频频率： 射频频率：13.56 MHz 工作气体：F 基、Cl 基（可加少量 He、Ar、H2、O2 等） 工作气体： 、 、 气压： 气压：10-2 ~ 1 Torr 分辨率： 分辨率：0.5 ~ 1 µm
钻蚀（ 钻蚀（undercut）现象 ）
对刻蚀速率的各向异性的定量描述
RL A =1− RV
式中， 分别代表横向刻蚀速率和纵向刻蚀速率。 式中，RL 和 RV 分别代表横向刻蚀速率和纵向刻蚀速率。 A = 1 表示理想的各向异性，无钻蚀；A = 0 表示各向同性， 表示理想的各向异性，无钻蚀； 表示各向同性， 有严重的钻蚀。 有严重的钻蚀。
溅射率与入射角的关系 入射角：靶平面法线与入射离子束的夹角， 入射角：靶平面法线与入射离子束的夹角，记为 θ 。 溅射率：由一个入射离子溅射出来的原子或分子的数目， 溅射率：由一个入射离子溅射出来的原子或分子的数目， 也称为溅射产率， 的函数。 也称为溅射产率，记为 S 。溅射率 S 是入射角 θ 的函数。 相对溅射率： 相对溅射率：在单位离子 束电流密度下， 束电流密度下，单位时间内加 工表面的减薄量， 工表面的减薄量，记为 US (θ )
11.5 离子铣
离子铣刻蚀 又称为 离子束溅射刻蚀。 离子束溅射刻蚀。 一、离子溅射刻蚀机理 入射离子以高速撞击固体表面， 入射离子以高速撞击固体表面，当传递给固体原子的能量 超过其结合能（几到几十电子伏特）时，固体原子就会脱离其 超过其结合能（几到几十电子伏特） 晶格位置而被溅射出来。 纯粹的物理过程。 晶格位置而被溅射出来。这是一种 纯粹的物理过程。 一次溅射：入射离子直接将晶格位置上的原子碰撞出来。 一次溅射：入射离子直接将晶格位置上的原子碰撞出来。 二次溅射：被入射离子碰撞出来的晶格原子，若具有足够 二次溅射：被入射离子碰撞出来的晶格原子， 的能量时，可将其它晶格原子碰撞出来。 的能量时，可将其它晶格原子碰撞出来。
3、Si3N4 腐蚀液 HF H3PO4 ( 140oC ~ 200oC ) 4、Al 腐蚀液 4 ml H3PO4 + 1ml HNO3 + 4 ml CH3COOH + 1ml H2O ， （35 nm/min） / ） 0.1M K2Br4O7 + 0.51 M KOH + 0.6 M K3Fe(CN)6 ， 腐蚀时不产生气泡） （1 µm/min ，腐蚀时不产生气泡） / 5、Au 腐蚀液 王水： ，（25 王水：3 ml HCl + 1ml HNO3 ，（ ~ 50 µm/min） / ） 4g KI +1g I + 40 ml H2O（0.5 ~ 1 µm/min，不损伤光刻胶） （ / ，不损伤光刻胶）