微細(xì)加工與mems技術(shù)張慶中11刻蝕

1、第 11 章 刻 蝕,去膠,,,顯影（第 1 次圖形轉(zhuǎn)移）,刻蝕（第 2 次圖形轉(zhuǎn)移）,,選擇曝光,對(duì)刻蝕的要求,1、適當(dāng)?shù)目涛g速率 通常要求刻蝕速率為每分鐘幾十到幾百納米。,2、刻蝕的均勻性好（片內(nèi)、片間、批次間） 刻蝕均勻性一般為 。大量或大面積硅片同時(shí)刻蝕時(shí)，刻蝕速率會(huì)減小，這稱為刻蝕的 負(fù)載效應(yīng)。,3、選擇比大 選擇比指對(duì)不同材料的刻蝕速率的比值。,4、鉆蝕小,

2、5、對(duì)硅片的損傷小,6、安全環(huán)保,鉆蝕（undercut）現(xiàn)象,對(duì)刻蝕速率的各向異性的定量描述,式中，RL 和 RV 分別代表橫向刻蝕速率和縱向刻蝕速率。,A = 1 表示理想的各向異性，無(wú)鉆蝕；A = 0 表示各向同性，有嚴(yán)重的鉆蝕。,刻蝕技術(shù),濕法干法,化學(xué)刻蝕電解刻蝕,,,,離子銑刻蝕（物理作用）等離子體刻蝕（化學(xué)作用）反應(yīng)離子刻蝕（物理化學(xué)作用）,刻蝕技術(shù)的種類,與濕法化學(xué)刻蝕相比，干法刻蝕對(duì)溫度不那么敏感，工藝重

3、復(fù)性好；有一定的各向異性；等離子體中的顆粒比腐蝕液中的少得多；產(chǎn)生的化學(xué)廢物也少得多。,11.1 濕法刻蝕 濕法刻蝕是一種純粹的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。,優(yōu)點(diǎn) 1、應(yīng)用范圍廣，適用于幾乎所有材料； 2、選擇比大，易于光刻膠的掩蔽和刻蝕終點(diǎn)的控制； 3、操作簡(jiǎn)單，成本低，適宜于大批量加工。,缺點(diǎn) 1、為各向同性腐蝕，容易出現(xiàn)鉆蝕； 2、由于液體存在表面

4、張力，不適宜于腐蝕極細(xì)的線條； 3、化學(xué)反應(yīng)時(shí)往往伴隨放熱與放氣，導(dǎo)致腐蝕不均勻。,常用腐蝕液舉例 1、SiO2 腐蝕液 BHF：28 ml HF + 170 ml H2O + 113 g NH4F 2、Si 腐蝕液 Dash etch: 1 ml HF + 3 ml HNO3 + 10 ml CH3COOH Sirtl etch: 1

5、 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），（用于檢測(cè)外延層缺陷） Wright etch: 60 ml HF + 30 ml HNO3 + 60 ml CH3COOH + 60 ml H2O + 30 ml CrO3 ( 1g in 2 ml H2O ) + 2

6、g (CuNO3)23H2O ，（此腐蝕液可長(zhǎng)期保存）,3、Si3N4 腐蝕液 HF H3PO4 ( 140oC ~ 200oC ) 4、Al 腐蝕液 4 ml H3PO4 + 1ml HNO3 + 4 ml CH3COOH + 1ml H2O ， （35 nm/min） 0.1M K2Br4O7 + 0.51 M KOH + 0.6

7、 M K3Fe(CN)6 ， （1 ?m/min ，腐蝕時(shí)不產(chǎn)生氣泡） 5、Au 腐蝕液 王水：3 ml HCl + 1ml HNO3 ，（25 ~ 50 ?m/min） 4g KI +1g I + 40 ml H2O（0.5 ~ 1 ?m/min，不損傷光刻膠）,11.3 干法刻蝕基本分類,,等離子體刻蝕（化學(xué)作用）反應(yīng)離子刻蝕（物理化學(xué)作用）離子銑刻蝕（物理作用）

8、,11.4 等離子體刻蝕,一、等離子體刻蝕機(jī)理 在低溫等離子體中 ，除了含有電子和離子外，還含有大量處于 激發(fā)態(tài)的游離基 和 化學(xué)性質(zhì)活潑的中性原子團(tuán)。正是利用游離基和中性原子團(tuán)與被刻蝕材料之間的化學(xué)反應(yīng) ，來(lái)達(dá)到刻蝕的目的 。對(duì)硅基材料的基本刻蝕原理 是用 “ 硅--鹵 ” 鍵代替 “ 硅--硅 ” 鍵 ，從而產(chǎn)生揮發(fā)性的硅鹵化合物。,刻蝕硅基材料時(shí)的刻蝕氣體有 CF4、C2F6 和 SF6 等。其中最常用的是 CF4

9、 。,CF4 本身并不會(huì)直接刻蝕硅。等離子體中的高能電子撞擊CF4 分子使之裂解成 CF3 、CF2 、C 和 F ，這些都是具有極強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)性的原子團(tuán)。,CF4 等離子體對(duì) Si 和 SiO2 有很高的刻蝕選擇比，室溫下可高達(dá) 50，所以很適合刻蝕 SiO2 上的 Si 或多晶 Si 。,在 CF4 中摻入少量其它氣體可改變刻蝕選擇比。摻入少量氧氣可提高對(duì) Si 的刻蝕速率 ；摻入少量氫氣則可提高對(duì) SiO2的刻蝕速率，從而適合刻蝕

10、Si 上的 SiO2。,二、等離子體刻蝕反應(yīng)器 1、圓筒式反應(yīng)器 這種反應(yīng)器最早被用于去膠，采用的刻蝕氣體是 O2 。后來(lái)又利用 F 基氣體來(lái)刻蝕硅基材料 。屏蔽筒的作用是避免晶片與等離子體接觸而產(chǎn)生損傷，同時(shí)可使刻蝕均勻。,,典型工藝條件 射頻頻率：13.56 MHz 射頻功率：300 ~ 600 W 工作氣體： O2（去膠）

11、 F 基（刻蝕 Si、Poly-Si、Si3N4 等） F 基 + H2（刻蝕 SiO2 等） 氣壓（真空度）：0.1 ~ 10 Torr 分辨率：2 ?m,1、為各向同性腐蝕，存在側(cè)向鉆蝕，分辨率不高；,3、均勻性差；,

12、4、不適于刻蝕 SiO2 和 Al。,筒式等離子體刻蝕反應(yīng)器的 缺點(diǎn),2、負(fù)載效應(yīng)大，刻蝕速率隨刻蝕面積的增大而減?。?2、平板式反應(yīng)器,射頻源,陰極,陽(yáng)極,氣體,硅片放在陽(yáng)極上。這種刻蝕以化學(xué)刻蝕為主，也有微弱的物理濺射刻蝕作用。離子的能量可以促進(jìn)原子團(tuán)與硅片之間的化學(xué)反應(yīng)，提高刻蝕速率，同時(shí)使刻蝕具有一定的各向異性，使分辨率有所提高。,非揮發(fā)性的反應(yīng)產(chǎn)物在側(cè)壁的淀積也可實(shí)現(xiàn)一定程度的各向異性刻蝕。,典型工藝條件 射頻

13、頻率：13.56 MHz 工作氣體：F 基、Cl 基（可加少量 He、Ar、H2、O2 等） 氣壓：10-2 ~ 1 Torr 分辨率：0.5 ~ 1 ?m,離子銑刻蝕 又稱為 離子束濺射刻蝕。,11.5 離子銑,一、離子濺射刻蝕機(jī)理,一次濺射：入射離子直接將晶格位置上的原子碰撞出來(lái)。,

14、入射離子以高速撞擊固體表面，當(dāng)傳遞給固體原子的能量超過(guò)其結(jié)合能（幾到幾十電子伏特）時(shí)，固體原子就會(huì)脫離其晶格位置而被濺射出來(lái)。這是一種 純粹的物理過(guò)程。,二次濺射：被入射離子碰撞出來(lái)的晶格原子，若具有足夠的能量時(shí)，可再將其它晶格原子碰撞出來(lái)。,選擇離子的原則,令 ，可得 ，且 ，這時(shí)靶原子可獲得最大能量，即

15、 。所以為獲得最好的濺射效果，應(yīng)選擇入射離子使其質(zhì)量盡可能接近靶原子。,1、質(zhì)量 質(zhì)量為 M2 的靶原子從質(zhì)量為 M1 的入射離子獲得的能量為,2、要求入射離子對(duì)被刻蝕材料的影響盡量小,3、容易獲得,例如，若要對(duì) SiO2 進(jìn)行濺射加工，根據(jù)要求 2，入射離子應(yīng)在惰性氣體離子 Ar+、Kr+ 和 Xe+ 中選擇，又因 Si 原子和 O2 分子的原子量分別是 28 和 32，而 Ar+、Kr+ 和 Xe+ 的原子量分別是

16、 40、84 和 131，所以采用 Ar+ 離子的效果是最好的。而且Ar+ 離子也是相對(duì)比較容易獲得的。,相對(duì)濺射率：在單位離子束電流密度下，單位時(shí)間內(nèi)加工表面的減薄量，記為,濺射率與入射角的關(guān)系 入射角：靶平面法線與入射離子束的夾角，記為 。 濺射率：由一個(gè)入射離子濺射出來(lái)的原子或分子的數(shù)目，也稱為濺射產(chǎn)率，記為 S 。濺射率 S 是入射角 的函數(shù)。,0,30o,60o,90o,式中，n 代

17、表被濺射材料的原子密度。,濺射率與離子能量的關(guān)系,式中，V0 為臨界電壓，對(duì)金屬靶約為 25 V 。,入射離子能量更高時(shí)，離子將進(jìn)入固體內(nèi)較深的區(qū)域，這時(shí)表面濺射反而減小，成為 離子注入 。,幾種常用材料的相對(duì)濺射率（條件：Ar+，1 kV，1mA/cm2，5×10-5 Torr，單位 nm/min） Si : 36， GaAs : 260， SiO2 (熱氧化)

18、 : 42， Al : 44， Au : 160， Cr : 20， KTER : 39， AZ1350 : 60， PMMA : 84， 上述數(shù)據(jù)說(shuō)明，離子濺射的選擇比很差。,2、掩模方式離子束濺射刻蝕 通常采用光刻膠作掩模。有兩種類型的刻蝕裝置。 (1) 離子源與加工

19、室分離的，如考夫曼型，離子源氣壓為 10-2 ~ 10-4 Torr ，加工室氣壓為 10-5 ~ 10-7 Torr。 (2) 離子源與加工室一體的，如射頻型，氣壓為 10-2 Torr。,二、離子束濺射刻蝕裝置,1、聚焦方式離子束濺射刻蝕 設(shè)備的基本原理與聚焦離子束曝光裝置相同，離子源通常采用 LMIS。也可采用等離子體型，離子通常用 Ar+。 優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需掩模與光刻膠，刻蝕深度范圍大。

20、 缺點(diǎn)：刻蝕效率低，設(shè)備復(fù)雜昂貴。,接地電極（陽(yáng)極）,等離子體區(qū)（亮區(qū)）,電位降區(qū)（暗區(qū)）,浮空電極（陰極）,射頻發(fā)生器,,,工作原理（以射頻型為例）,典型工藝條件 射頻頻率：13.56 MHz 直流偏壓：50 ~ 3000 V 工作氣體（離子）：Ar 氣壓（真空度）：約 10-2 Torr

21、 分辨率：0.1 ?m,三、離子束濺射刻蝕的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 1、入射離子有很強(qiáng)的方向性，為各向異性刻蝕，無(wú)側(cè)向鉆蝕，刻蝕分辨率高； 2、能刻蝕任何材料，一次能刻蝕多層材料； 3、刻蝕在高真空中進(jìn)行，刻蝕過(guò)程不易受污染。,缺點(diǎn),1、選擇比差,對(duì)不同材料的刻蝕速率的差別小于 3 倍，對(duì)光刻膠及下層材料的選擇比常接近于 1 : 1，甚至對(duì)光刻膠的刻蝕速率更

22、快 。選擇比差的后果是，第一，當(dāng)采用掩模方式時(shí)，刻蝕深度受到限制；第二，刻蝕終點(diǎn)難以控制，容易損傷下層材料。,2、刻蝕速度慢，效率低,4、有再淀積效應(yīng),3、有側(cè)向刻蝕,5、圖形邊緣出現(xiàn)溝槽,簡(jiǎn)稱為 RIE，但是其更恰當(dāng)?shù)拿Q應(yīng)該是離子輔助刻蝕。,11.6 反應(yīng)離子刻蝕,反應(yīng)離子刻蝕裝置可分為平板式與六角形式。與平板式等離子體刻蝕相比，區(qū)別是將硅片放在陰極上，而等離子體刻蝕是將硅片放在陽(yáng)極上。與離子銑刻蝕相比，區(qū)別是要通入腐蝕性氣體如 C

23、l 基、F 基氣體，而離子銑刻蝕用的是惰性氣體。,陰極,多孔陽(yáng)極,射頻源,氣體,反應(yīng)離子刻蝕具有等離子體刻蝕的刻蝕速率快的優(yōu)點(diǎn)，而且比等離子體刻蝕還要快，同時(shí)又具有離子銑刻蝕的各向異性因而分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。,離子的轟擊起到了多種作用。1、離子轟擊提供的能量提高了表面層的化學(xué)活性；2、離子轟擊可使反應(yīng)氣體更容易穿透表面的阻礙物而達(dá)到反應(yīng)層；3、還有輕微的物理濺射刻蝕作用。由于離子轟擊的方向性，遭受離子轟擊的底面比未遭受離子轟擊的側(cè)面的刻蝕要

24、快得多。,當(dāng)使用某些混合氣體如 BCl3、CCl4、SiCl4 ，反應(yīng)過(guò)程會(huì)在側(cè)壁上形成保護(hù)性的聚合物薄膜，進(jìn)一步提高了各向異性。,典型工藝條件 射頻頻率：13.56 MHz 工作氣體：Cl 基、F 基 氣壓：10-1 ~ 10-3 Torr 分辨率：0.1 ~ 0.2 ?m　　刻蝕速率：100 ~ 200 nm/min,11.8 高密度等離子體（HDP）刻蝕,提高刻蝕

25、速率的方法之一是提高等離子體的密度。若對(duì)等離子體施加額外的電場(chǎng)與磁場(chǎng)，可以急劇增加自由電子的碰撞幾率，在相同或者更低的氣壓與功率下增加離化率，從而提高等離子體的密度。,最早用于刻蝕的高密度等離子體是電子回旋共振等離子體（ECR），而現(xiàn)在用得最多的是電感耦合等離子體（ICP）。,高密度等離子體能夠提供高濃度低能量的離子，因而能在提高刻蝕速率的同時(shí)，減少刻蝕時(shí)的沾污，降低刻蝕損傷。,11.9 剝離技術(shù),剝離工藝可用于制造 IC 的金屬互連線

26、。,曝光,顯影,淀積金屬,去膠,剝離工藝中，當(dāng)采用正膠時(shí)，獲得的金屬圖形與掩模版上的圖形相反，這與采用負(fù)膠及刻蝕工藝所得到的結(jié)果相同。,光刻膠的剖面輪廓有 頂切式、底切式 和 直壁式 三種。,對(duì)于剝離工藝，為了使有膠區(qū)和無(wú)膠區(qū)的金屬薄膜很好地分離，希望獲得底切式的輪廓。對(duì) PMMA 正性光刻膠在采取雙層膠技術(shù)或氯苯浸泡等一些特殊措施后 ，可以形成底切式 ，而且膠膜較厚，所以在剝離工藝中常采用 PMMA 膠。,頂切式,底切式,直壁式,物理

27、刻蝕為各向異性，無(wú)鉆蝕，分辨率好； 化學(xué)刻蝕為各向同性，有鉆蝕，分辨率差。 物理刻蝕的選擇比?。换瘜W(xué)刻蝕的選擇比大。 可以通過(guò)調(diào)節(jié)工作氣體的種類、氣壓、電極方式和電壓等來(lái)控制刻蝕剖面的形狀和選擇比。,11.10 小結(jié),1、工作氣體 若只采用 Ar 等惰性氣體，則發(fā)生純物理的濺射刻蝕；若只采用 F 基、Cl 基等活潑氣體 ，則發(fā)生純化學(xué)的等離子體刻蝕 。而混合氣體的刻蝕速率遠(yuǎn)

28、大于兩類單一氣體刻蝕速率之和。,2、氣壓 氣壓越低，物理作用越強(qiáng)；氣壓越高，化學(xué)作用越強(qiáng)。,3、電極 若晶片置于陰極，則物理作用較強(qiáng)；若晶片置于陽(yáng)極，則物理作用較弱；在圓筒式反應(yīng)器中，晶片不置于電極上，則無(wú)物理作用。,4、電壓 電壓越高，物理作用越強(qiáng)；電壓越低，物理作用越弱。,各種干法刻蝕方法比較,習(xí) 題 1、在下面的 2 種應(yīng)用中，應(yīng)該使用等離子體刻蝕設(shè)備，還是離子銑刻