刻蚀

2、平板式反应器
射频源
阴极
直流 电压
气体
阳极
阳极
阴极
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。离子的能量可以促进原子团与硅片之间的 化学反应，提高刻蚀速率，同时使刻蚀具有一定的各向异性， 使分辨率有所提高。
典型工艺条件 射频频率：13.56 MHz 工作气体：F 系、Cl 系（可加少量 He、Ar、H2、O2 等）
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）
3、Si3N4 腐蚀液 HF H3PO4 ( 140oC ~ 200oC ) 4、GaAs 腐蚀液 H2SO4 + H2O2 + H2O NH4OH + H2O2 + H2O 在腐蚀 GaAs 时常常需要对 AlxGa1-xAs 有一定的选择比， 可以使用的腐蚀液是 30%的 H2O2，并经 NH4OH 或 H3PO4 混合 溶液的稀释以控制 pH 值。
第 11 章 刻 蚀
选择曝光
显影（第 1 次图形转移）
刻蚀（第 2 次图形转移）
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。 2、刻蚀的均匀性好 分为片内均匀性和片间均匀性。大量硅片同时刻蚀时，刻 蚀速率会减小，这称为刻蚀的 负载效应。 3、选择比大 选择比指不同材料的刻蚀速率的比值。
气压：10-2 ~ 1 Torr 分辨率：0.5 ~ 1 μm
11.5 离子铣
离子铣刻蚀又称为离子束溅射刻蚀。 一、离子溅射刻蚀机理 入射离子以高速撞击固体表面，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 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。 二次溅射：被入射离子碰撞出来的晶格原子，若具有足够 的能量时，可将其它晶格原子碰撞出来。
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，离子源通常 采用 LMIS 。也可采用等离子体型，离子通常用 Ar+。 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。 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。 (1) 离子源与加工室分离的，如考夫曼型，离子源气压为
Va = 5K − 20KV : S ∝ lg Va , Va = 20K − 50KV : S 呈 现 饱 和 甚 至 下 降 。
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，这
时表面溅射反而减小，成为 离子注入 。
溅射率 与材料种类的关系
几种常用材料的相对溅射率：
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
E
=
4M1M 2 (M1 + M 2)2
E0
令
dE dM 1
=
0 ，可得
M1 = M2
，且
d2E
d
M
2 1
<
0
，这时靶原子
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。
射频源
电极
石英圆筒
多孔金属 屏蔽筒 晶片
典型工艺条件 射频频率：13 . 56 MHz
射频功率：300 ~ 600 W
工作气体： O2（去胶） F 系（刻蚀 Si、Poly-Si、Si3N4 等）
气压（真空度）：0.1 ~ 10 Torr
分辨率：2 μm
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； 2、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； 4、不适于刻蚀 SiO2 和 Al 。
需要解决的主要问题：1、抛光终点的控制；2、抛光后的 清洗。
化学机械抛光（CMP）设备的销售量，1994 年比 1990 年 增加了 3 倍，1997 年比 1994 年增加了 4 倍。
11.3 干法刻蚀基本分类
离子铣刻蚀（物理作用） 等离子体刻蚀（化学作用） 反应离子刻蚀（物理化学作用）
各种刻蚀方法的气压范围（Torr）
S
(θ
)
cosθ
( cm / s ) A / cm2
式中，n 为被溅射材料的
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 :
S ∝ (Va − V0 )2 , S ∝ (Va − V0 ),
Va = 400 − 5KV : S ∝ Va ,
5、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 ， （1 μm/min ，腐蚀时不产生气泡）
6、Au 腐蚀液 王水：3 ml HCl + 1ml HNO3 ，（25 ~ 50 μm/min） 4g KI +1g I + 40 ml H2O（0.5 ~ 1 μm/min，不损伤光刻胶）
Si : 36， Al : 44，
GaAs : 260， SiO2 (热氧化) : 42， Au : 160， Cr : 20，
KTER : 39， AZ1350 : 60， PMMA : 84，
（条件：Ar+，1 kV，1mA/cm2，5×10-5 Torr，单位 nm/min）
上述数据说明 离子溅射的选择性很差。
在 CF4 中掺入少量其它气体可改变刻蚀选择比。掺入少量 氧气可提高对 Si 的刻蚀速率；掺入少量氢气则可提高对 SiO2 的刻蚀速率，从而适合刻蚀 Si 上的 SiO2 。
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，采用的刻蚀气Fra Baidu bibliotek是 O2 。后来 又利用 F 系与 Cl 系气体来刻蚀硅基材料。
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，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，
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：在单位离子 束电流密度下，单位时间内加
工表面的减薄量，记为 U S (θ )
US(θ )
US
(θ
)
=
1019 1.6n
2、要求入射离子对被刻蚀材料的影响尽量小 3、容易获得 例如，若要对 SiO2 进行溅射加工，根据要求 2 与要求 3 ， 入射离子应在较为容易获得的惰性气体离子 Ar+ 、Kr+ 和 Xe+ 中选择，又因 Si 原子和 O2 分子的原子量分别是 28 和 32 ，而 Ar+ 、Kr+ 和 Xe+ 的原子量分别是 40、84 和 131，所以采用 Ar+ 离子的效果是最好的。
当使用某些混合气体如 BCl3、CCl4、SiCl4 ，反应过程会 在侧壁上形成保护性的聚合物薄膜，进一步提高了各向异性。
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。
三、离子束溅射刻蚀的特点 优点 1、入射离子有很强的方向性，为各向异性刻蚀，无侧向 钻蚀，刻蚀分辨率高； 2、能刻蚀任何材料，一次能刻蚀多层材料； 3、刻蚀在高真空中进行，刻蚀过程不易受污染。
缺点
1、选择性差 对不同材料的刻蚀速率的差别小于 3 倍，对光刻胶及下层 材料的选择性常接近于 1 : 1，甚至对光刻胶的刻蚀速率更快。 选择性差的后果是，第一，当采用掩模方式时，刻蚀深度受到 限制；第二，刻蚀终点难以控制，容易损伤下层材料。
2、刻蚀速度慢，效率低
3、有再淀积效应 被溅射掉的材料会重新淀积在已加工图形和衬底的其它区 域上，严重影响图形的精度。
采用斜坡状的光刻胶剖面形状（顶切式）或采用薄的光刻 胶可以减轻再淀积效应。但刻蚀后的线宽会因侧向刻蚀而略小 于光刻胶图形的线宽。
4、有侧向刻蚀
已知相对溅射率与入射角有关，US(θ ) = AS(θ ) cosθ
当采用斜坡状的光刻胶剖面时，容易使图形边缘出现类似 于湿法刻蚀时的侧向钻蚀。
5、图形边缘出现沟槽 一些小角度离子在光刻胶侧壁的斜坡上发生反射，结果在 附近的衬底上出现沟槽。
缺点 1、为各向同性腐蚀，容易出现钻蚀； 2、由于液体存在表面张力，不适宜于腐蚀极细的线条； 3、化学反应时往往伴随放热与放气，导致腐蚀不均匀。
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 ( 5M 水溶液 ) Silver etch: 2 ml HF + 1 ml HNO3 + 2 ml AgNO3（0.65M 水 溶液），（用于检测外延层缺陷）
等离子体刻蚀
10 ~ 10-1
反应离子刻蚀
10-1 ~ 10-3
其中高密度等离子刻蚀 10-2 ~ 10-3
离子铣刻蚀
10-3 ~ 10-5
11.4 等离子体刻蚀
一、等离子体刻蚀机理
在低温等离子体中，除了含有电子和离子外，还含有大量 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 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。
化学刻蚀 电解刻蚀
离子铣刻蚀（物理作用） 等离子体刻蚀（化学作用） 反应离子刻蚀（物理化学作用）
与湿法化学刻蚀相比，干法刻蚀对温度不那么敏感，工艺 重复性好；有一定的各向异性；等离子体中的颗粒比腐蚀液中 的少得多；产生的化学废物也少得多。
11.1 湿法刻蚀
湿法刻蚀是一种纯粹的化学反应过程。 优点 1、应用范围广，适用于几乎所有材料； 2、选择比大，易于光刻胶的掩蔽和刻蚀终点的控制； 3、操作简单，成本低，适宜于大批量加工。
气体
直流 电压
多孔阳极
阴极
射频源
阴极
阳极
反应离子刻蚀具有等离子体刻蚀的刻蚀速率快的优点，而 且比等离子体刻蚀还要快，同时又具有离子铣刻蚀的各向异性 因而分辨率高的优点。
离子的轰击起到了多种作用。离子轰击提供的能量提高了 表面层的化学活性；离子轰击可使反应气体更容易穿透表面的 阻碍物而达到反应层；此外还有轻微的物理溅射刻蚀作用。由 于离子轰击的方向性，遭受离子轰击的底面比未遭受离子轰击 的侧面的刻蚀要快得多。
刻蚀硅基材料时的刻蚀气体有 CF4、C2F6 和 SF6 等。其中 最常用的是 CF4 。
CF4 本身不会并直接刻蚀硅。等离子体中的高能电子撞击 CF4 分子使之裂解成 CF3 、CF2 、C 和 F，这些都是具有极强 化学反应性的原子团。
CF4 等离子体对 Si 和 SiO2 有很高的刻蚀选择比，室温下 可高达 50，所以很适合刻蚀 SiO2 上的 多晶 Si 。
11.2 化学机械抛光
目的：获得硅片的全局平坦化。可用于多层布线、器件的 隔离和铜互连技术等。
机理：在 SiO2 表面先形成一个硅酸盐层，然后在与抛光板 接触时被研磨掉。
抛光剂含起机械作用的磨料如 SiO2 颗粒（0.05 μm ）、起 化学作用的腐蚀剂如 BHF 和 NH4OH 等。减薄速率正比于压力 与转速的乘积。速率太快容易产生损伤。
11.6 反应离子刻蚀
简称为 RIE，但是其更恰当的名称应该是离子辅助刻蚀。 反应离子刻蚀装置可分为平板式与六角形式。与平板式等 离子体刻蚀相比，区别是将硅片放在阴极上，而等离子体刻蚀 是将硅片放在阳极上。与离子铣刻蚀相比，区别是要通入腐蚀 性气体如 Cl 系、F 系气体，而离子铣刻蚀用的是惰性气体。
4、钻蚀小 5、对硅片的损伤小 6、安全环保
钻蚀（undercut）现象
对刻蚀速率的各向异性的定量描述
A =1− RL RV
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，
有严重的钻蚀。
刻蚀技术的种类
刻蚀技术
湿法 干法