蚀刻详解
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蚀刻详解
一、名词定义; a# f0 r6 ^' g0 Z 均匀性（Uniformity）-- 相对平均值的变化，常在描述蚀刻速率，CD 和淀积物厚度时使用。 有以下几种百分数表示的数学定义： 平均均匀性=[(Max-Min)÷ (2×AVG)]× 100%) F, t, Z: E6 x' X- u4 L 中值均匀性=[(Max-min)÷(Max＋Min)]×100% 3sigma 均匀性=(3×STD)÷AVG×100% 选择比 (Selectivity) – 不同材料蚀刻速率的比值。 中止层 (Stopping layer) – 停止层，通常通过终点控制。 剖面形貌 (Profile) – 器件结构横截面的形状和倾斜度。 条宽损失 (Etch bias) 过蚀刻 (Over etch) – 在平均膜厚完全蚀刻掉以后的额外蚀刻。补偿蚀刻速率和膜厚的不均 匀性。2 @& L+ k& F3 L& k) a4 w4 F1 R 残留物 (Residues) – 在蚀刻和平版印刷过程中无意留下的物质。, V6 Q" k$ G7 D& Z5 \, d 微掩膜（Micro-masking）-- 由于微粒，薄膜掺杂以及残留物产生的无意留下的掩膜。% l, t% d7
下电极凹槽确保氦气的均匀扩散。
氦气压力由 UPC 自动控制（压力控制单元）。% a7 ^3 C$ B# u# P' k" c0 N 3. 为什么使用氦气？
氦气是惰性的，她具有很高的导热性。) ]' L9 y, B$ q+ }0 {9 J0 K; { 4. Clamp 所用的材料
a. 陶瓷（氧化铝）--Ceramic（Alumina）
陶瓷是使用最普遍的一种材料，它很耐用、易加工，不会严重沾污硅片。
它在处理不当时极易破碎，所以在接触硅片表面时，被认为不如一些聚合物材料理想。$ i% ^1
V, l8 N& Q4 G: x
b. 阳极氧化铝（Hard anodized Aluminum） I$ ]4 u+ E! |; R5 b# P0 [, N 早期 clamp 材料用于 Rainbow，它不如陶瓷耐用，在耗尽层阳极氧化处理后，通过溅射会沾
蚀刻速率（Etch rate）--材料的剥离速率，通常以?/min，?/sec，nm/min, um/min 为单位计
量。, l6 ]7 b( ~2 j7 W% E/ Q
各向同性蚀刻（
Isotropic etch）-- 蚀刻速率在所有方向都是相同的。# x/ u6 f) l) ]5 |
各向异性蚀刻（Anisotropic etch）-- 蚀刻速率随方向而不等。) y5 d$ \2 q T" I( Z0 ]+ M
1 o. O+ x* [9 b9 R# Y# \: F + y4 a+ v% f2 j9 J( X
0 q/ p4 r, o/ s
二、
Clamping 和 拱形电极: @' r5 s O- Q/ U q) J2 M: O
1.
Clamping：目的 0 p9 T" B5 p+ R+ v3 x/ w& t) G8 \
减少下电极与硅片间距的变化。
由于氦气压力会压弯硅片，所以硅片中心的问题（硅片与下电极大于硅片边缘，这导致关键
的等离子参数不均匀），把电极做成拱形的，可以使变化减到最小。8 N+ G4 k9 C9 I1 M* Q# {: `/ w
提供均匀的硅片温度控制。
11. 拱形电极：发展
a. 平坦的不作阳极处理的电极
污硅片。7 |! Y, K1 E3 c+ u6 x c. VESPEL（Insert）$ A. ?+ |/ ^& R% d! S8 z 迄今为止，大多数对于 VESPEL clamp 的尝试都不令人满意，VESPEL 在某些工艺条件下会变
热和变形。
5. Clamping ：氦气冷却设计
a. 开环氦气, @5 M5 j ^% k$ [ `' D
c.半闭环氦气控制% Y$ v5 q7 f0 D) K$ X, t/ e
自动压力控制
clamp 流速在加工期间不能被精确测知 UPC 稳定性在高流速下大为提高" f! O+ L: f% R F5 T
- K z# Q0 a- b, u
6. Clamping: clamp 的特性 Clamp 的印痕 理想的 clamp 会在加工过程中在硅片上留下同心圆印痕。
同心圆印痕的要求：4 K& j1 _- z) v7 U" w I
硅片对中性良好 9 v3 w0 V+ X- k/ R. N7 K, M! _7 ` clamp 尺寸合适 @/ z% Z; M7 P2 i+ e 差的 clamp 印痕常常伴随着差的蚀刻速率均匀性或者产生糊胶。0 l$ N! X6 p- B8 k9 A/ x 通常，反应室关闭后 clamp 应当定中心，这是在反应室内无硅片的情况下抽真空后通过多次
最佳拱高通过预先设计的实验达到
糊胶大大排除
对聚合物沉积敏感! h+ F+ p# C! v1 u
; ]; F5 K1 u# `3 z1 o
三、 1. Item
SIO2 特性( g0 u- m* n, e' o3 G$ q+ Z SIO2 描述( J) k* f+ i6 {7 f* Y
Description 7 @4 J* O6 X1 j/ p9 ^
x. p9 x' c B! p4 c& V
显影（Development）-- 在曝光以后分解胶产生掩膜图案的过程。 后烘 (Hard-bake)—用来去除残留溶剂，增加胶的沾着力和耐腐能力，在显影后完成，可以 包括 DUV 固胶。 B7 l- Q% O1 w" n( \6 x" e' \ 化学蚀刻（Chemical etching）-- 根据化学反应机理，气态物质（中性原子团）与表面反应， 产物必定易挥发，也称为等离子蚀刻。" [; T: U. V5 X! n3 g 等离子增强蚀刻(Ion-enhanced etching)—单独使用中性原子团不能形成易挥发产物，具有一 定能量的离子改变衬底或产物；具有一定能量的离子改变衬底或产物层，这样，化学反应以 后能生成挥发性物质，亦称为反应离子蚀刻（RIE）。+ }: L, u4 }( z: z 溅射蚀刻（Sputter etching）--具有一定能量的离子机械的溅射衬底材料。
能从硅片上升起。否则，聚合物会沉积在下电极，最后影响工艺。
3 N/ h2 T' W. ^
9. clamp 相关的问题
增加工艺复杂性* u( @& A7 n7 j/ G1 `
增加硬件复杂性& a3 m+ ]& ?, C/ m, T Clamping 的不可重复性：Clamp 印痕伴随着工艺逐渐漂移 Clamp 与 clamp 的不同造成漏率变化 1 {0 [! k; `* B7 z- z# y' o
改变上、下电极的间距来完成的。
( L) N1 Y! ?1 G: s$ R
7. Clamp 漏率/clamp 流量 Clamp 漏率与多种工艺问题有关，对六英寸闭环配置的有些情况已经被确定下来了。 当有问题时，凭经验对多晶和二氧化硅系统在设定为 13T 的工艺时，流量应当小于 10sccm， 这相当于 1000~1500mT/min 的漏率。! N7 J) A7 Y3 [8 U; M: ] 当 clamp 漏率的影响和一些工艺参数被确定，许多时候 clamp 都被怀疑有问题，但是又得不
Kapton（卡普顿〈聚酰亚胺薄膜〉）难以应用 1 X1 I% ^- ^( }) L J) H5 }3 s' i
中心
--边蚀刻剖面不均匀+ T; ]0 a. Y: _. b+ s6 o; i
b. 平坦的 HAA 电极
中心
--边蚀刻剖面不均匀 3 K( p0 v6 F( e/ }
对聚合物淀积敏感( v, `1 ^, i$ s, G! P I
_" e# c+ x
终点（Endpoint）-- 在一个蚀刻过程中，平均膜厚被蚀刻干净时的时间点。/ i$ o4 W/ n" O0 [+ h) B-
G9 ?: E
光刻胶（Photo-resist）-- 作为掩膜用来图形转移的光敏材料。 分辨率（Resolution）-- 用于测试光学系统把相邻的目标形成分离图像的能力。 焦深 (Depth of focus) – 在焦平面上目标能形成影像的纵向距。, n, g8 S8 ?( x5 g 关键尺寸（Critical dimensions-CD）-- 一个最小特征图形的绝对尺寸，包括线宽、间隙、或 者关联尺寸。- h$ B! ~9 A, M) S$ B+ c! I 去边（Edge bead removal-EBR）--去胶边的过程，通常在涂胶后将溶剂喷在硅片的背面或前 边沿上。 前烘（Soft-bake）-- 在涂胶后用来去除胶溶剂的温度步骤。" Z K# C l* A# i 曝光（Exposure）-- 把涂胶后的硅片，暴露在某种形式的射线下，以在胶上产生隐约的图像 的步骤。 PEB (Post-exposure-bake)—曝光以后消除胶里的由衬底反射引起的胶里的驻波的温度步骤。/
分子描述 二氧化硅是由一个硅原子与两个氧原子共价结合而成。
电阻率 二氧化硅是绝缘体，它的典型电阻率是 1024~1016 Ω/cm，与之相对应铝的电阻 率是 3×10-6Ω/cm，硅的电阻率是 10-2~10-4Ω/cm。& B; j& W8 {. R& P
自然种类 二氧化硅的自然形式有石英、沙、或者暴露在大气中的硅表面上的薄天然氧
Biblioteka Baiduc.
拱形 Kapton5 p0 Q4 z; C2 I, x8 k4 y, h
Kapton 难以应用
最佳拱高难以达到
对糊胶敏感
d. 拱形 HAA
最佳拱高难以达到
对糊胶敏感 0 W' Z( y- q0 ^) e
对聚合物淀积敏感
e.
拱形—刻槽 HAA3 l3 \+ y: h9 s" a% ^6 |6 h6 y
为什么夹紧硅片？
通过提高硅片到下电极的热量交换来控制硅片温度。
2 D/ A5 t. X# W# M( B9 f% o
2.
Clamping：clamp 设计- i& @% v/ r+ p2 k3 f
用弹簧把硅片压至下电极。
通过高压氦气（8~14Torr）喷入到硅片和下电极之间，从硅片传导热量。
热量传导同氦气压力成正比，和硅片--下电极间距成正比。4 I5 `, g/ z" Y! T. w$ E
到证明。所有的高 clamp 漏率并不说明 clamp 有问题。Edge（硅片边缘），下电极，硅片对 中和硅片的不同都影响 clamp 的漏率。
# ~3 T2 D- l: u' {% j0 g
8. Clamp 降压 加工后氦气冷却区域必须在 clamp 升起前降压。) `" b/ @* B! | 在 4500 或者配有低于室温电极的反应室内，clamp 只有在排除反应室内剩余蚀刻气体后才
不可自动调整
控制或了解硅片--电极间隙的压力很困难
b.
闭环氦气控制* Q. d8 l9 V4 U+ i/ |& C$ O6 k$ s! t
自动控制压力（UPC）: \) m2 S8 Q) K
较好的工艺控制，在加工过程中能够确定 clamp 流速，在压力控制需要很低流量时，UPC 难
以稳定。 w/ E/ j3 r/ S% g! P* ]/ r! D
G$ u$ o* c) p: h7 v
糊胶（Resist reticulation）-- 温度超过 150 摄氏度时光刻胶产生的燃烧和折皱。 纵横比（Aspect ratio）-- 器件结构横截面深度和宽度的比率。9 }& P# n& @0 o* |/ y% S9 A 负载（Loading）-- 蚀刻速率依赖于可蚀刻表面数量，可在宏观或微观尺寸下。 纵横比决定蚀刻（Aspect Ratio Dependent Etching/ARDE）--蚀刻速率决定于纵横比。7 [. o- Q+ P;
硅片温度的不均匀性，难以得到均匀的蚀刻形貌; C3 ]' \3 M8 @" S: E( ~' B$ E Clamp 边蚕食硅片可用区域 Clamp 造成工艺硬件与硅片表面接触。. C* M( ^5 ~, |/ ~0 c
" w3 l: a& u9 ^
10.
拱形电极：目的* u9 c. l* o& d
为什么采用拱形电极: Y0 P4 r+ Y8 k/ \ l
一、名词定义; a# f0 r6 ^' g0 Z 均匀性（Uniformity）-- 相对平均值的变化，常在描述蚀刻速率，CD 和淀积物厚度时使用。 有以下几种百分数表示的数学定义： 平均均匀性=[(Max-Min)÷ (2×AVG)]× 100%) F, t, Z: E6 x' X- u4 L 中值均匀性=[(Max-min)÷(Max＋Min)]×100% 3sigma 均匀性=(3×STD)÷AVG×100% 选择比 (Selectivity) – 不同材料蚀刻速率的比值。 中止层 (Stopping layer) – 停止层，通常通过终点控制。 剖面形貌 (Profile) – 器件结构横截面的形状和倾斜度。 条宽损失 (Etch bias) 过蚀刻 (Over etch) – 在平均膜厚完全蚀刻掉以后的额外蚀刻。补偿蚀刻速率和膜厚的不均 匀性。2 @& L+ k& F3 L& k) a4 w4 F1 R 残留物 (Residues) – 在蚀刻和平版印刷过程中无意留下的物质。, V6 Q" k$ G7 D& Z5 \, d 微掩膜（Micro-masking）-- 由于微粒，薄膜掺杂以及残留物产生的无意留下的掩膜。% l, t% d7
下电极凹槽确保氦气的均匀扩散。
氦气压力由 UPC 自动控制（压力控制单元）。% a7 ^3 C$ B# u# P' k" c0 N 3. 为什么使用氦气？
氦气是惰性的，她具有很高的导热性。) ]' L9 y, B$ q+ }0 {9 J0 K; { 4. Clamp 所用的材料
a. 陶瓷（氧化铝）--Ceramic（Alumina）
陶瓷是使用最普遍的一种材料，它很耐用、易加工，不会严重沾污硅片。
它在处理不当时极易破碎，所以在接触硅片表面时，被认为不如一些聚合物材料理想。$ i% ^1
V, l8 N& Q4 G: x
b. 阳极氧化铝（Hard anodized Aluminum） I$ ]4 u+ E! |; R5 b# P0 [, N 早期 clamp 材料用于 Rainbow，它不如陶瓷耐用，在耗尽层阳极氧化处理后，通过溅射会沾
蚀刻速率（Etch rate）--材料的剥离速率，通常以?/min，?/sec，nm/min, um/min 为单位计
量。, l6 ]7 b( ~2 j7 W% E/ Q
各向同性蚀刻（
Isotropic etch）-- 蚀刻速率在所有方向都是相同的。# x/ u6 f) l) ]5 |
各向异性蚀刻（Anisotropic etch）-- 蚀刻速率随方向而不等。) y5 d$ \2 q T" I( Z0 ]+ M
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二、
Clamping 和 拱形电极: @' r5 s O- Q/ U q) J2 M: O
1.
Clamping：目的 0 p9 T" B5 p+ R+ v3 x/ w& t) G8 \
减少下电极与硅片间距的变化。
由于氦气压力会压弯硅片，所以硅片中心的问题（硅片与下电极大于硅片边缘，这导致关键
的等离子参数不均匀），把电极做成拱形的，可以使变化减到最小。8 N+ G4 k9 C9 I1 M* Q# {: `/ w
提供均匀的硅片温度控制。
11. 拱形电极：发展
a. 平坦的不作阳极处理的电极
污硅片。7 |! Y, K1 E3 c+ u6 x c. VESPEL（Insert）$ A. ?+ |/ ^& R% d! S8 z 迄今为止，大多数对于 VESPEL clamp 的尝试都不令人满意，VESPEL 在某些工艺条件下会变
热和变形。
5. Clamping ：氦气冷却设计
a. 开环氦气, @5 M5 j ^% k$ [ `' D
c.半闭环氦气控制% Y$ v5 q7 f0 D) K$ X, t/ e
自动压力控制
clamp 流速在加工期间不能被精确测知 UPC 稳定性在高流速下大为提高" f! O+ L: f% R F5 T
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6. Clamping: clamp 的特性 Clamp 的印痕 理想的 clamp 会在加工过程中在硅片上留下同心圆印痕。
同心圆印痕的要求：4 K& j1 _- z) v7 U" w I
硅片对中性良好 9 v3 w0 V+ X- k/ R. N7 K, M! _7 ` clamp 尺寸合适 @/ z% Z; M7 P2 i+ e 差的 clamp 印痕常常伴随着差的蚀刻速率均匀性或者产生糊胶。0 l$ N! X6 p- B8 k9 A/ x 通常，反应室关闭后 clamp 应当定中心，这是在反应室内无硅片的情况下抽真空后通过多次
最佳拱高通过预先设计的实验达到
糊胶大大排除
对聚合物沉积敏感! h+ F+ p# C! v1 u
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三、 1. Item
SIO2 特性( g0 u- m* n, e' o3 G$ q+ Z SIO2 描述( J) k* f+ i6 {7 f* Y
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显影（Development）-- 在曝光以后分解胶产生掩膜图案的过程。 后烘 (Hard-bake)—用来去除残留溶剂，增加胶的沾着力和耐腐能力，在显影后完成，可以 包括 DUV 固胶。 B7 l- Q% O1 w" n( \6 x" e' \ 化学蚀刻（Chemical etching）-- 根据化学反应机理，气态物质（中性原子团）与表面反应， 产物必定易挥发，也称为等离子蚀刻。" [; T: U. V5 X! n3 g 等离子增强蚀刻(Ion-enhanced etching)—单独使用中性原子团不能形成易挥发产物，具有一 定能量的离子改变衬底或产物；具有一定能量的离子改变衬底或产物层，这样，化学反应以 后能生成挥发性物质，亦称为反应离子蚀刻（RIE）。+ }: L, u4 }( z: z 溅射蚀刻（Sputter etching）--具有一定能量的离子机械的溅射衬底材料。
能从硅片上升起。否则，聚合物会沉积在下电极，最后影响工艺。
3 N/ h2 T' W. ^
9. clamp 相关的问题
增加工艺复杂性* u( @& A7 n7 j/ G1 `
增加硬件复杂性& a3 m+ ]& ?, C/ m, T Clamping 的不可重复性：Clamp 印痕伴随着工艺逐渐漂移 Clamp 与 clamp 的不同造成漏率变化 1 {0 [! k; `* B7 z- z# y' o
改变上、下电极的间距来完成的。
( L) N1 Y! ?1 G: s$ R
7. Clamp 漏率/clamp 流量 Clamp 漏率与多种工艺问题有关，对六英寸闭环配置的有些情况已经被确定下来了。 当有问题时，凭经验对多晶和二氧化硅系统在设定为 13T 的工艺时，流量应当小于 10sccm， 这相当于 1000~1500mT/min 的漏率。! N7 J) A7 Y3 [8 U; M: ] 当 clamp 漏率的影响和一些工艺参数被确定，许多时候 clamp 都被怀疑有问题，但是又得不
Kapton（卡普顿〈聚酰亚胺薄膜〉）难以应用 1 X1 I% ^- ^( }) L J) H5 }3 s' i
中心
--边蚀刻剖面不均匀+ T; ]0 a. Y: _. b+ s6 o; i
b. 平坦的 HAA 电极
中心
--边蚀刻剖面不均匀 3 K( p0 v6 F( e/ }
对聚合物淀积敏感( v, `1 ^, i$ s, G! P I
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终点（Endpoint）-- 在一个蚀刻过程中，平均膜厚被蚀刻干净时的时间点。/ i$ o4 W/ n" O0 [+ h) B-
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光刻胶（Photo-resist）-- 作为掩膜用来图形转移的光敏材料。 分辨率（Resolution）-- 用于测试光学系统把相邻的目标形成分离图像的能力。 焦深 (Depth of focus) – 在焦平面上目标能形成影像的纵向距。, n, g8 S8 ?( x5 g 关键尺寸（Critical dimensions-CD）-- 一个最小特征图形的绝对尺寸，包括线宽、间隙、或 者关联尺寸。- h$ B! ~9 A, M) S$ B+ c! I 去边（Edge bead removal-EBR）--去胶边的过程，通常在涂胶后将溶剂喷在硅片的背面或前 边沿上。 前烘（Soft-bake）-- 在涂胶后用来去除胶溶剂的温度步骤。" Z K# C l* A# i 曝光（Exposure）-- 把涂胶后的硅片，暴露在某种形式的射线下，以在胶上产生隐约的图像 的步骤。 PEB (Post-exposure-bake)—曝光以后消除胶里的由衬底反射引起的胶里的驻波的温度步骤。/
分子描述 二氧化硅是由一个硅原子与两个氧原子共价结合而成。
电阻率 二氧化硅是绝缘体，它的典型电阻率是 1024~1016 Ω/cm，与之相对应铝的电阻 率是 3×10-6Ω/cm，硅的电阻率是 10-2~10-4Ω/cm。& B; j& W8 {. R& P
自然种类 二氧化硅的自然形式有石英、沙、或者暴露在大气中的硅表面上的薄天然氧
Biblioteka Baiduc.
拱形 Kapton5 p0 Q4 z; C2 I, x8 k4 y, h
Kapton 难以应用
最佳拱高难以达到
对糊胶敏感
d. 拱形 HAA
最佳拱高难以达到
对糊胶敏感 0 W' Z( y- q0 ^) e
对聚合物淀积敏感
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拱形—刻槽 HAA3 l3 \+ y: h9 s" a% ^6 |6 h6 y
为什么夹紧硅片？
通过提高硅片到下电极的热量交换来控制硅片温度。
2 D/ A5 t. X# W# M( B9 f% o
2.
Clamping：clamp 设计- i& @% v/ r+ p2 k3 f
用弹簧把硅片压至下电极。
通过高压氦气（8~14Torr）喷入到硅片和下电极之间，从硅片传导热量。
热量传导同氦气压力成正比，和硅片--下电极间距成正比。4 I5 `, g/ z" Y! T. w$ E
到证明。所有的高 clamp 漏率并不说明 clamp 有问题。Edge（硅片边缘），下电极，硅片对 中和硅片的不同都影响 clamp 的漏率。
# ~3 T2 D- l: u' {% j0 g
8. Clamp 降压 加工后氦气冷却区域必须在 clamp 升起前降压。) `" b/ @* B! | 在 4500 或者配有低于室温电极的反应室内，clamp 只有在排除反应室内剩余蚀刻气体后才
不可自动调整
控制或了解硅片--电极间隙的压力很困难
b.
闭环氦气控制* Q. d8 l9 V4 U+ i/ |& C$ O6 k$ s! t
自动控制压力（UPC）: \) m2 S8 Q) K
较好的工艺控制，在加工过程中能够确定 clamp 流速，在压力控制需要很低流量时，UPC 难
以稳定。 w/ E/ j3 r/ S% g! P* ]/ r! D
G$ u$ o* c) p: h7 v
糊胶（Resist reticulation）-- 温度超过 150 摄氏度时光刻胶产生的燃烧和折皱。 纵横比（Aspect ratio）-- 器件结构横截面深度和宽度的比率。9 }& P# n& @0 o* |/ y% S9 A 负载（Loading）-- 蚀刻速率依赖于可蚀刻表面数量，可在宏观或微观尺寸下。 纵横比决定蚀刻（Aspect Ratio Dependent Etching/ARDE）--蚀刻速率决定于纵横比。7 [. o- Q+ P;
硅片温度的不均匀性，难以得到均匀的蚀刻形貌; C3 ]' \3 M8 @" S: E( ~' B$ E Clamp 边蚕食硅片可用区域 Clamp 造成工艺硬件与硅片表面接触。. C* M( ^5 ~, |/ ~0 c
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10.
拱形电极：目的* u9 c. l* o& d
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