刻蚀技术

4 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。
刻蚀技术的种类 化学刻蚀 湿法 电解刻蚀 刻蚀技术 离子铣刻蚀（物理作用） 离子铣刻蚀（物理作用） 干法 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）
与湿法化学刻蚀相比，干法刻蚀对温度不那么敏感， 与湿法化学刻蚀相比，干法刻蚀对温度不那么敏感，工艺 刻蚀对温度不那么敏感 重复性好；有一定的各向异性； 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。 的少得多；产生的化学废物也少得多。
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。
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）
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
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。 、 。
刻 蚀
选择曝光
显影（ 次图形转移） 显影（第 1 次图形转移）
刻蚀（第 2 次图形转移） 次图形转移） 刻蚀（
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（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 、
S ∝ (Va − V0 )2 , S ∝ (Va − V0 ), S∝ Va , S ∝ lgVa , S 呈现饱和甚至下降。
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 。
1 湿法刻蚀
湿法刻蚀是一种纯粹的化学反应过程。 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； 、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； 、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。 、操作简单，成本低，适宜于大批量加工。 缺点 1、为各向同性腐蚀，容易出现钻蚀； 、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； 、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。 、化学反应时往往伴随放热与放气，导致腐蚀不均匀。
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 本身并不会直接刻蚀硅。等离子体中的高能电子撞击 本身并不会直接刻蚀硅。 刻蚀硅 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。 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 有很高的刻蚀选择比， 高达 50，所以很适合刻蚀 SiO2 上的 Si 或多晶 Si 。 ， 中掺入少量其它气体可改变刻蚀选择比。 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， 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， 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。
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， 。
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， ，
Gas in Reaction chamber Wafers
Wafers RF electrode
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
2 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）
3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。
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
4M1M 2 E= E0 2 ( M1 + M 2 )
dE d2 E 令 = 0，可得 M1 = M 2 ，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。
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 : Va = 20K − 50KV :
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 )
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， 进行溅射加工， 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， 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。 离子的效果是最好的。
2、平板式反应器 平板式反应器
射频源
阴极
阳极 气体
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。
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）