等離子體刻蝕

等離子體刻蝕潘華勇1）介紹等離子體刻蝕在刻蝕方法中的位置2）刻蝕參數3）刻蝕的微觀機理4）具體的儀器原理介紹（RIE、ICP和ECR）5）具體實驗參數對刻蝕的影響6）本實驗室刻蝕儀器的介紹（TRIONTECHNOLOGYMINILOCKIIIICP）（1）外觀，結構，實驗參數，一些材料的刻蝕工藝參數，廠家提供的一些刻蝕材料的情況；（2）實驗步驟；7）作業(yè)8)參考文獻干法刻蝕的一般用途：光刻后的圖形轉移，器件的剝離等，濕法刻蝕無法完成的各向異性刻蝕。等離子體刻蝕在刻蝕方法中的位置

1.干法刻蝕的定義：除濕法以外的刻蝕方法。濕法是指使用液體物質刻蝕目標。

狹義的干法：等離子放電產生的物理和化學過程對材料的加工；廣義的干法：除濕法以外的刻蝕方法，如等離子刻蝕、激光加工、火花放電加工、化學蒸汽加工以及噴粉加工等。圖形轉移過程2）刻蝕參數刻蝕速率、刻蝕剖面、刻蝕偏差、選擇比、均勻性、殘留物、聚合物、等離子體誘導損傷、顆粒污染?？涛g剖面選擇比均勻性是一種衡量刻蝕工藝在整個硅片上，或整個一批，或批與批之間刻蝕能力的參數。如微負載效應。殘留物是刻蝕后留在硅片表面不想要的材料。聚合物包括刻蝕劑和反應的生成物。等離子體誘導損傷包括帶能離子、電子和激發(fā)的等離子體可引起對硅片上的敏感器件引起等離子體誘導損傷。顆粒污染等離子體在硅片表面附近產生的顆粒。3）刻蝕的微觀機理

刻蝕（中文字面的意思：刻，物理的作用，用刀刻（宏觀上），用有粒子動量(力)去撞（微觀上），F=dP/dt,P=mu;蝕，化學的作用，腐蝕物體（宏觀上），被激活的分子或原子和目標物質的分子發(fā)生反應，異化掉該物質（微觀上）?？涛g具體的微觀過程：物理的過程加速離子撞擊固體表面發(fā)生各種過程，如濺射，物質沉積和離子注入（跟離子的動能有關）等，跟刻蝕有關的過程：離子的濺射作用、吸附氣體的放出和吸附氣體的分解放出等。此過程具有各向異性?；瘜W的過程1具有化學活性的分子或原子從源頭，到達刻蝕的表面，2和表面物質的分子發(fā)生反應，生成反應物分子，3離開表面，4氣流帶走離開刻蝕物體。此過程具有各向同性。物理加化學的過程離子的濺射和解吸附的物理特性加上化學反應特性，刻蝕速度大于單一的任何的單一過程。4）具體的儀器原理介紹（RIE、ICP和ECR）根據使用離子的物理和化學的作用，可分為反應離子刻蝕（reactiveionetch）（物理和化學作用）、離子濺射刻蝕(物理作用)。根據產生等離子體的方式又分為ICP感性耦合等離子體（inductivelycoupledplasma）,CCP容性耦合等離子體（capacitivelycoupledplasma）,ECR微波電子回旋共振等離子體（microwaveelectroncyclotronresonance）。等離子放電刻蝕技術分類RIE（反應離子刻蝕）

利用反應氣體離子在電場中的定向運動的刻蝕。原理圖如下把平板型的反應室的樣品電極接射頻RF，反應器壁接地。系統(tǒng)的電位分布如圖等離子體的產生

使用高頻電場加到反應氣體上，使氣體電離，形成等離子體。使用射頻13.56MHz高頻電場；等離子體的內部是電中性的，在邊界處（離反應室的器壁一定距離）電中性被打破，電子的運動速度比離子的快(假設系統(tǒng)達到熱平衡，KTi=KTe,KT=1/2mu2,u—m-1/2),到達器壁，在器壁上形成負電富集區(qū)，正離子在邊界處富集，形成等離子鞘電壓。鞘電壓有加速離子撞擊基片的作用。電荷分離產生的電場中等離子的電位Vp，Vp的數值約為使用射頻電壓峰值的一半，等離子體對地的電位約為10v。ICP（感性耦合等離子體刻蝕）ICP感性耦合等離子體（inductivelycoupledplasma）提高刻蝕速率(要求提高等離子密度)，傳統(tǒng)的二極平板系統(tǒng)隨著射頻功率的提高，樣品電極的自偏壓也提高，離子轟擊樣品的能量也增加，使刻蝕的選擇比下降。解決方法把等離子的產生區(qū)與刻蝕區(qū)分開，如下圖;電感耦合產生的電磁場可以長時間維持等離子體區(qū)內電子的回旋運動，大大增加了電離幾率。另一方面，樣品基板是獨立輸入射頻功率，所產生的自偏壓可以獨立控制。Icp既可以產生很高的等離子體密度，又可以維持較低的離子轟擊能量，解決了高刻蝕速率和高選擇比兩個原來互相矛盾。RIEPlatenPowerPlasmaDensityICPRIEIonDensityversusCoilPower

IonDensity(x1010/cm3)versuscoilpower.Probeislocatedatthecentreofthechamber.Pressure=5mTorr,Bias=100VECR微波電子回旋共振等離子體刻蝕）微波功率通過波導由系統(tǒng)的頂部輸入到諧振腔體，電子在諧振腔內隨微波的諧振而產生共振，并在腔體外磁場的作用下回旋。具有和ICP一樣的優(yōu)點。ECR的缺點結構復雜，需要微波功率源、微波諧振與樣品基板射頻源的匹配問題。ComparisonofPlasmaSourceTechnologyPB:magneticpileupboundary.它是一個選項,即在腔室外壁有多組永久磁體,其產生的磁場約束等離子只能向下運動,使得等離子密度向下運動時無損耗,該選項通常用于深槽刻蝕,如50um以上的Si刻蝕,本實驗室的ICP機器只用于淺槽的刻蝕,沒有此配置.硅的高深寬比刻蝕成為可能的工藝的兩個技術，一個是ICP，另一個是“Bosch”工藝。Bosch工藝就是在反應離子刻蝕過程中不斷在邊壁上沉積抗刻蝕層，或邊壁鈍化（sidewallpassivation）?？涛g氣體是SF6，鈍化氣體為C4F8，C4F8在等離子體中能夠形成氟化碳類高分子聚合物，它沉積在硅表面能夠阻止氟離子與硅反應?？涛g與鈍化5-15s轉換一個周期。各向同性刻蝕通過離子轟擊去除底部鈍化各向同性刻蝕最后形成的刻蝕剖面?zhèn)缺阝g化“Bosch”工藝過程Bosch工藝就是在反應離子刻蝕過程中不斷在邊壁上沉積抗刻蝕層，或邊壁鈍化（sidewallpassivation）?？涛g氣體是SF6，鈍化氣體為C4F8，C4F8在等離子體中能夠形成氟化碳類高分子聚合物，它沉積在硅表面能夠阻止氟離子與硅反應?？涛g與鈍化5-15s轉換一個周期。各向同性刻蝕通過離子轟擊去除底部鈍化各向同性刻蝕最后形成的刻蝕剖面?zhèn)缺阝g化“Bosch”工藝過程Bosch工藝就是在反應離子刻蝕過程中不斷在邊壁上沉積抗刻蝕層，或邊壁鈍化（sidewallpassivation）?？涛g氣體是SF6，鈍化氣體為C4F8，C4F8在等離子體中能夠形成氟化碳類高分子聚合物，它沉積在硅表面能夠阻止氟離子與硅反應?？涛g與鈍化5-15s轉換一個周期。各向同性刻蝕通過離子轟擊去除底部鈍化各向同性刻蝕最后形成的刻蝕剖面?zhèn)缺阝g化“Bosch”工藝過程5）具體實驗參數對刻蝕的影響1氣體壓力（腔室壓力）等離子體刻蝕一般工作在10-3torr（1mTorr）范圍的低氣壓條件下。1）在低氣壓下，分子密度降低，電子自由程增加，電子加速的能量大，電離幾率增大。2）另個好處是離子之間、離子與原子之間的碰撞減少，離子對材料表面刻蝕的方向性改善，刻蝕的各向異性增強。3）低氣壓有利于揮發(fā)物離開刻蝕表面，增加反應速率，從而增加刻蝕速率。高氣壓下，分子密度提高，離子自由程降低，化學活性分子數目增加，則化學反應刻蝕占主導地位，刻蝕趨于各向同性。2放電功率RIE射頻功率增加輸入功率刻蝕速率上升。在恒定的氣壓下，加到等離子體中的功率增加，更多的氣體分子處于激發(fā)態(tài)，即活性基增加，同時電離加強，等離子體密度增加；隨著功率的上升，等離子體鞘的電勢增加，增強了離子的定向轟擊能力；這些都利于刻蝕速率的上升。缺點是各向異性雖然增強了，但離子轟擊會增加掩膜的損失，降低了掩膜的抗刻蝕比。ICP射頻功率增加輸入功率刻蝕速率上升。ICP射頻源加在在腔室的上部，同樣提高了加到等離子體中的功率增加，更多的氣體分子處于激發(fā)態(tài)，即活性基增加，同時電離加強，等離子體密度增加，但對離子的定向加速沒有直接的貢獻。需要增加各向同性，減少各向同性時，須降低RIERF射頻功率，增加ICP射頻功率。3氣體流量功率不變，壓力恒定的情況下，流量太小，反應刻蝕需要的活性物不夠，刻蝕較慢；當達到需要量時，反應速度趨于不變；過多時，影響分子和電子的平均白白程，減低刻蝕速度。4樣品材料表面溫度反應離子刻蝕的材料表面因離子轟擊會自然升溫，材料表面溫度可達到100-200°C。溫度升高會導致作為掩膜材料的光刻膠軟化變形，并且光刻膠刻蝕速率也回增加；溫度升高的另一個效應是橫向刻蝕速率增加（因為化學反應刻蝕本身是各向同性的）。5負載效應（loadingeffect）是指因刻蝕面積的變化而導致的刻蝕均勻性的變化。1刻蝕面積-------活性氣體離子量；2局部負載或微負載效應（microloadingeffect）是指在同一樣品上因為掩膜暴露面積不同而導致的刻蝕速率不同。如大面積圖形的刻蝕速率大于小面積圖形的刻蝕速率。這種效應在深刻蝕時尤其明顯。6電極材料電極包括陰極和陽極。要求陰極材料是化學惰性的，否則被刻蝕，消耗反應物質，影響樣品的刻蝕速率。陽極與側壁在離子的濺射下不會形成揮發(fā)性產物，而是將濺射產物再沉積到其他表面，包括樣品材料表面，影響樣品的進一步刻蝕。即使材料本身是化學惰性的，樣品材料在刻蝕過程中也會因物理濺射，尤其是掩膜材料的濺射，將濺射物沉積到陽極或反應室腔體內部。把這種環(huán)境帶給下一次實驗，“記憶效應”。為了盡量減少這種“交叉污染”，應盡量避免同一刻蝕系統(tǒng)刻蝕多種不同材料，或者要求在每一次新的刻蝕前對反應室腔體進行等離子體“清潔”，即在未放樣品前用氧氣或氬氣對腔室體預刻蝕一段時間。6）本實驗室刻蝕儀器的介紹（TRIONTECHNOLOGYMINILOCKIIIICP）外貌，1.主體（反應室和預抽室），外圍（真空泵（機械泵，干泵）水箱，氣路，尾氣處理等）總體框圖反應室結構圖工藝條件：實驗的氣體種類及最大流量單位Sccm（

SccmstandsforStandardCubicCentimetersperMinute.Where"Standard"meansreferencedto0degreesCelsiusand760Torr）.：N2=200Sccm;BCl3=89;O2=98;Cl2=43;（Ar或He）=140;CF4=84;SF6=53.實驗參數的設定范圍，射頻最大功率ICPRF(w)1250w;RIERF600w；，腔室最小壓力1mTorr，一般穩(wěn)定為10-15mTorr；基片溫度（下電極水溫-40°---+200°+-0.01°）基片架大小為4Inch。說明書列舉的工藝單如下：SiliconNitride–Si3N4

RIEPower100watts，ICPPower0watts，Pressure250mtorr，GasesSF6-45sccm,O2-5sccm，EtchRate2500?/minAnyFluorinecontaininggasescanbeused.SulfurHexafluorideispreferredduetoitsselectivitytoSiO2.IncreasingtheICPpowerwillincreaseetchratessignificantly.PolysiliconorTiWRIEPower100watts，ICPPower0watts，Pressure300mtorr，GasesSF6-50sccm，EtchRate5000?/minPolyimideorPhotoresistRIEPower100watts，ICPPower250watts，Pressure150mtorr，GasesO2-45sccm,SF6-5sccmEtchRate10000?/minIfyoudonotwishtoetchintothepassivationlayer,theSF6canbeeliminated.IneliminatingtheSF6,thepressureneedstobeloweredto30mtorrtoensureacleanetch.AluminumRIEPower75watts，ICPPower0watts，Pressure180mtorr，GasesBCl3-30sccm,Cl2-30sccm,CH4-2sccmEtchRate1000?/minTheCH4isnotnecessarybutensuresasmoothsidewallpassivationonthealuminum.Toincreasetheetchrate,increasetheCl2amount.BesuretorinsethewaferafterprocessingbecausetheresidualchlorinewillcombinewithmoistureintheatmospheretoformsmallamountsofHCl.編號Pressure（mT）TimeICP(W）RIE(w)DCbias(v)O2ArCF4SF6He壓力備注(日期)結果等1深刻Sietch550180s40050-84401405083.6微米/180s1.2微米/M2SiO2etch125003001084420nm/M，大片24.1nm/m.580061.4nm/m3SiO2etch93530080550471-80m/M4O2clean300300s03008010打膠5clean250600s500150504清洗下面是廠家提供的一些材料的刻蝕情況45SiO2etchingGas:CHF3,CF4,O2Etchrate:700–2200A/minSelectivitytoPR:7:1(bestcasewithCHF3)Uniformity:<

+5%46Oxideetch47Si3N4etchingGas:CF4,SF6Etchrate:1200–2200A/minSelectivitytoPR:4:1SelectivitytoSiO2:1:1Uniformity:<

+5%48SiliconNitrideetch49SiliconNitrideetch50Nbetch

Gases:CF/O2/HeICP/DCbiasEtchrate:800–2000A/minSelectivitytoPR:>2:1Uniformity:<+/-5%Polyimide聚酰亞胺EtchEtchRate:400to6000A/minSelectivitytoResist1:1SelectivitytoOxideorTi>100:1EtchUniformity+5%Chemistry:O2(assumingnoinorganicimpuritiesinthepolyimide)PolyimideEtch

Ti

maskPolyimideEtchICP:PZT（PbZrxTi1-xO3）EtchEtchRate:300to1000A/minSelectivitytoresist0.5to2:1Minmimumfeaturesizeetched:0.5umEtchuniformity+5%Chemistry:Fluorine,CF4orSF6(+CH4)PZTEtch2）實驗步驟；

1.樣品的準備基片架大小為4Inch；4inch的片子可以直接放入腔室刻蝕；小樣片用真空冷凝脂粘在托片上，脂不能太多和太少，脂太多，工藝時受熱，容易溢上來；脂太少，工藝時受熱，樣片導熱不利