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第十章 刻蚀技术

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第 章 干法刻蚀

第 章 干法刻蚀
• 聚合物的形成有时是为了在刻蚀图形的侧壁上形成抗腐蚀膜从而 防止横向刻蚀，这样能形成高的各向异性图形，增强刻蚀的方向 性，从而实现对图形关键尺寸的良好控制。
10
刻蚀参数
7. 等离子体诱导损伤 等离子体诱导损伤有两种情况： • 等离子体在MOS晶体管栅电极产生陷阱电荷引起薄栅氧化
硅的击穿。 • 带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表面上的氧化层
③等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速得到能量轰击样片表 面，这种离子轰击不仅对样片表面有一定的溅射作用形成物理刻蚀， 而且提高了表面层自由基和反应原子或原子团的化学活性，加速与 样片的化学反应。
④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，达到了很好的各向异性。
第十章 干法刻蚀
1
刻蚀概述
刻蚀的概念: 用化学或物理的方法有选择地去除不需要的材料的工艺过程称
为刻蚀。由于硅可以作为几乎所有集成电路和半导体器件的 基板材料，所以本章主要讨论在硅基板表面的刻蚀过程。 刻蚀示意图：
2
刻蚀概述
刻蚀的工艺目的: 把光刻胶图形精确地转移到硅片上，最后达到复制掩膜版图形
15
干法刻蚀的机制
等离子体干法刻蚀机理及刻蚀参数对比
刻蚀参数 刻蚀机理 侧壁剖面
物理刻蚀 RF场垂直片面 物理离子溅射
各向异性
化学刻蚀 物理和化学刻蚀
RF场平行片面 RF场垂直片面
活性元素 离子溅射和活性
化学反应元素化学反应Fra bibliotek各向同性
各向异性
选择比 刻蚀速率
低/难提高 （1：1）
高
很高 （500：1）
12
干法刻蚀
刻蚀类型 湿法腐蚀
侧壁剖面 各向同性

刻蚀技术简介

刻蚀技术简介

刻蚀过程控制
刻蚀剂选择
根据被刻蚀材料的性质和刻蚀要 求，选择合适的刻蚀剂，以确保
刻蚀速度和选择性的优化。
刻蚀参数调整
精确控制刻蚀过程中的参数，如刻 蚀温度、刻蚀剂浓度、反应时间等 ，以实现所需的刻蚀深度和形貌。
实时监控与反馈
通过实时监测刻蚀过程中的参数变 化，及时调整刻蚀条件，确保刻蚀 结果的稳定性和可重复性。
刻蚀技术简介
汇报人： 2023-11-18
contents
目录
• 刻蚀技术概述 • 刻蚀技术分类 • 刻蚀技术工艺流程 • 刻蚀技术应用实例及发展趋势
刻蚀技术概述
01
刻蚀技术定义
• 刻蚀技术是一种通过物理或化学方法在材料表面进行加工的技 术。它利用能量束或化学反应去除材料表面的部分或全部，以 获得所需的形状和表面粗糙度。
提供了更多可能性。
刻蚀技术应用领域
微电子领域
在集成电路制造过程中，刻蚀 技术用于制作晶体管、电容、 电阻等器件，以及互连线、通
孔等结构。
光学领域
刻蚀技术可用于制造微纳光学 元件，如光栅、微透镜、衍射 光学元件等，提高光学性能。
生物医疗领域
利用刻蚀技术制造生物芯片、 微流控芯片等，用于生物样品 分析、疾病诊断等。
优缺点
具有高刻蚀速度、对材料适应性广等优点 ；但设备成本高、精度相对较低等缺点也 较为明显。
复合刻蚀技术
工作原理
在物理刻蚀的基础上，引入化学反应增强 刻蚀效果，从而提高刻蚀速度和精度。
A 定义
将化学刻蚀技术与物理刻蚀技术相 结合的一种刻蚀方法。
B
C
D
优缺点
兼具化学刻蚀和物理刻蚀的优点，能够实 现高速、高精度刻蚀；但设备复杂度较高 ，工艺调试难度较大。

刻蚀技术 ppt课件

刻蚀技术 ppt课件

RF electrode
Wafers
Gas in Reaction chamber
Wafers
RF generator
Quartz boat
ppt课件
Vacuum pump
11
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 基（刻蚀 Si、Poly-Si、Si3N4 等） F 基 + H2（刻蚀 SiO2 等）
最早用于刻蚀的高密度等离子体是电子回旋共振等离子体
气压：10-2 ~ 1 Torr 分辨率：0.5 ~ 1 m
ppt课件
16
4 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。
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）
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）
4、钻蚀小
5、对硅片的损伤小
6、安全环保
ppt课件
2
钻蚀（undercut）现象

刻蚀技术 PPT

刻蚀技术 PPT

S
(
)
cos
cm / s ( A / cm2 )
式中，n 为被溅射材料的
原子密度。
0
S( )
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 : Va 5K 20KV : Va 20K 50KV :
，且
d2E dM12
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。
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。
RF electrode
Wafers
Gas in Reaction chamber
Wafers
RF generator
Quartz boat
Vacuum pump
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 基（刻蚀 Si、Poly-Si、Si3N4 等） F 基 + H2（刻蚀 SiO2 等）
顶切式
底切式
直壁式
对于剥离工艺，为了使有胶区和无胶区的金属薄膜很好地 分离，希望获得底切式的轮廓 。对 PMMA 正性光刻胶在采取 双层胶技术或氯苯浸泡等一些特殊措施后 ，可以形成底切式 ， 而且胶膜较厚，所以在剥离工艺中常采用 PMMA 胶。

刻蚀技术.ppt

刻蚀技术.ppt
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。
工作原理（以射频型为例）
射频发生器
Vb
C
Va
接地电极（阳极） 等离子体区（亮区） 电位降区（暗区）
浮空电极（阴极）
典型工艺条件 射频频率：13.56 MHz
RF electrode
Wafers
Gas in Reaction chamber
Wafers
RF generator
Quartz boat
Vacuum pump
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 基（刻蚀 Si、Poly-Si、Si3N4 等） F 基 + H2（刻蚀 SiO2 等）
2 干法刻蚀基本分类
等离子体刻蚀（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）
3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。
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。
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。

第十章 刻 蚀

第十章 刻 蚀
延长刻蚀时间到tM，才能将最厚处的薄膜刻蚀干净。 但这时硅片大部位的薄膜就存在过刻蚀现象，影响 了图形转换的精度
过刻蚀带来的问题
横向刻蚀继续，造成刻蚀偏差加大； 衬底材料被刻蚀，造成衬底结构受损； 过刻蚀延长了刻蚀时间，考验光刻胶的耐蚀能力。
光刻胶
D
薄膜
刻蚀前
基片 开始主刻蚀
光刻胶 薄膜
采 用 气 态 的 化 学 气 体 进 行 薄 膜 刻 蚀
分类方法2
各向同性刻蚀与各向异性刻蚀
各向同性刻蚀：薄膜在各个方向上都受到同样 的刻蚀 各向异性刻蚀：薄膜在各个方向上所受刻蚀不 等，垂直方向受到刻蚀，横向不受刻蚀
10.2 VLSI对刻蚀工艺的要求
不管采用哪种刻蚀方式，刻蚀工艺的最终要求： ■ 高的刻蚀速率； ■ 各向异性的刻蚀剖面； ■ 线条尺寸（宽度、深度）的高保真度； ■ 选择性好，剖面形状达到预计的效果； ■ 均匀性好—图形完整，整个硅片内刻蚀均匀；
离子铣
屏蔽栅 电磁铁改善离子 化 加速栅
+
_
+
中和化灯丝
等离子腔 +anode repels +ions) 热灯丝发射 电子
+ + + + + + + + ++ + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

刻蚀技术

刻蚀技术

湿法刻蚀
选择性刻蚀－－－常用溶液 选择性刻蚀－－－常用溶液（续） －－－
常用的湿法刻蚀液： 常用的湿法刻蚀液：KOH＋异丙脂＋水 ＋异丙脂＋
许多先进电子器件的组成都是由一种薄膜材料淀积到另一层材料 上。需要选择性刻蚀制备各层之间的电接触孔。 需要选择性刻蚀制备各层之间的电接触孔。
有时需要一定程度的定向刻蚀中半导体衬底上腐蚀很深的图案。 有时需要一定程度的定向刻蚀中半导体衬底上腐蚀很深的图案。
有时利用沟槽来做高集成度IC器件的彼此隔离。 有时利用沟槽来做高集成度 器件的彼此隔离。 器件的彼此隔离
电子科学与技术系
湿法腐蚀
对Al的腐蚀 的腐蚀
湿法腐蚀广泛用于对铝连线的腐蚀。 湿法腐蚀广泛用于对铝连线的腐蚀。
Ai是多晶体，湿法腐蚀生产的联系边缘参差不齐。 是多晶体，湿法腐蚀生产的联系边缘参差不齐。 是多晶体
常用20％的乙酸＋ ％的磷酸＋ ％的硝酸。 常用 ％的乙酸＋77％的磷酸＋3％的硝酸。
硅工艺中的铝互连不是纯铝，其中的杂质挥发性不及基体材料， 硅工艺中的铝互连不是纯铝，其中的杂质挥发性不及基体材料， 搀杂的铜、硅很难除去。 搀杂的铜、硅很难除去。 2011-12-1 15
与暴露的膜发生化学反应生成可溶解的副产物
从硅片表面移去反应生成物
三个步骤都必须发生，最慢的一步称为速率限制步骤， 三个步骤都必须发生，最慢的一步称为速率限制步骤，决 定刻蚀速率。 定刻蚀速率。
2011-12-1 9
电子科学与技术系
湿法刻蚀
被腐蚀的膜并非直接溶解于刻蚀剂中。 被腐蚀的膜并非直接溶解于刻蚀剂中。必须将被腐蚀的材 料从固态转化为气态或液态。 料从固态转化为气态或液态。 这种气体将形成气泡从而阻止新的腐蚀剂向硅片表面移动。 这种气体将形成气泡从而阻止新的腐蚀剂向硅片表面移动。 由于气泡的发生不能被预测，问题尤其严重。 由于气泡的发生不能被预测，问题尤其严重。 为帮助新鲜的腐蚀剂化学药液移动到硅片表面， 为帮助新鲜的腐蚀剂化学药液移动到硅片表面，在湿法刻 蚀化学槽中的搅拌将减少硅片表面鼓泡的附着力。 蚀化学槽中的搅拌将减少硅片表面鼓泡的附着力。 由于除去所有腐蚀产物很困难，即使不产生鼓泡， 由于除去所有腐蚀产物很困难，即使不产生鼓泡，小的几 何特征尺寸图形也可能腐蚀得很慢。 何特征尺寸图形也可能腐蚀得很慢。

刻蚀技术

刻蚀技术

干法刻蚀机理
Physical Etching
Sputtered surface material
Reactive +ions bombard surface
Chemical Etching
Surface reactions of radicals + surface film
Desorption of by-prod reactive ions on surface
6) Surface reactions of
7) Desorption of
radicals and surface film by-products
Substrate
Isotropic etch
Cathode
在半导体生产中， 干法刻蚀是最主要的用来去除表面材料的刻蚀方法10。
Randomly select 3 to 5 wafers in a lot
Measure etch rate at 5 to 9 locations on each wafer, then calculate etch uniformity for each wafer and compare wafer-to-wafer.
Physical Etch (RF field parallel to
wafer surface)
Chemical Etch
Radicals in
Radicals in
plasma reacting liquid (?)
with wafer
reacting with
surface*
wafer surface
Sidewall Profile Anisotropic

干法刻蚀ppt课件

干法刻蚀ppt课件
③等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速得到能量轰击样片表 面，这种离子轰击不仅对样片表面有一定的溅射作用形成物理刻蚀， 而且提高了表面层自由基和反应原子或原子团的化学活性，加速与 样片的化学反应。
④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，达到了很好的各向异性。
3
刻蚀参数
相关刻蚀参数: • 刻蚀速率 • 刻蚀剖面 • 刻蚀偏差 • 选择比 • 均匀性 • 聚合物 • 等离子体诱导损伤
4
刻蚀参数
1. 刻蚀速率
• 刻蚀速率是指刻蚀过程中去除硅片表面不需要的材料的速度。 刻蚀速率＝ΔT/t（Å/min)
其中，ΔT=去掉的材料厚度（Å或μm） t=刻蚀所用时间（min）
• 聚合物的形成有时是为了在刻蚀图形的侧壁上形成抗腐蚀膜从而 防止横向刻蚀，这样能形成高的各向异性图形，增强刻蚀的方向 性，从而实现对图形关键尺寸的良好控制。
10
刻蚀参数
7. 等离子体诱导损伤 等离子体诱导损伤有两种情况：
• 等离子体在MOS晶体管栅电极产生陷阱电荷引起薄栅氧化 硅的击穿。
• 带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表面上的氧化层 进行轰击，使器件性能退化。
20
反应离子刻蚀
RIE （Reactive Ion Etch）机理
①进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分解电离形成等离 子体，等离子体由高能电子、反应正离子、自由基、反应原子或原 子团组成。
②反应室被设计成射频电场垂直于被刻蚀样片表面且射频电源电极 （称为阴极）的面积小于接地电极（称为阳极）的面积时，在系统 的电源电极上产生一个较大的自偏置电场。
25
反应离子束刻蚀
• 聚焦离子束(FIB)：经过透镜聚焦形成的、束径在0.1 m以 下的极微细离子束。
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Taper
Silicon Trench
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5
刻蚀的主要指标
• 刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸间 距的变化。通常由于横向刻蚀引起，但也 可能由刻蚀剖面引起。
Wb Wa
Resist
Bias 刻蚀偏差=Wb-Wa
Bias Resist
Film
Film
Substrate (a)
Substrate
CD Control
Fair/good
Poor
* Used primarily for stripping and etchback operations.
Poor to nonexistent
Good/excellent
12
平板反应器
• 平板反应器有两个大小和位置对称的平行 金属板，一个硅片背面朝下放在接地的阴 极上面，RF信号加在反应器的上电极。
(b)
6
横向钻蚀
Undercut
Overetch
Resist Film Substrate
7
刻蚀的主要指标
• 选择比是指在同一条件下一种材料与另一 种材料相比刻蚀速率快多少。
Ef S=
Er
Er
Ef
Nitride
Oxide
8
刻蚀的主要指标
• 均匀性
深宽比相关刻蚀：刻蚀速率在小窗口图形 中较慢，甚至在具有高深宽比的小尺寸图 形上刻蚀停止。
Matching network
RF generator
Gas- flow controller
Gas dispersion screen
Gas panel Electrodes
Roots pump
Microcontroller Operator Interface
Endpoint signal
Wafer Pressure controller
干法刻蚀机理
Physical Etching
Sputtered surface material
Reactive +ions bombard surface
Chemical Etching
Surface reactions of radicals + surface film
Desorption of by-products
5) Adsorption of reactive ions on surface
6) Surface reactions of
7) Desorption of
radicals and surface film by-products
Substrate
Isotropic etch
Cathode
在半导体生产中， 干法刻蚀是最主要的用来去除表面材料的刻蚀方法10。
surface*
wafer surface
In dry etch, etching includes ion sputtering and radicals reacting with wafer surface
Sidewall Profile Selectivity
Anisotropic
Poor/difficult to increase (1:1)
Randomly select 3 to 5 wafers in a lot
Measure etch rate at 5 to 9 locations on each wafer, then calculate etch uniformity for each wafer and compare wafer-to-wafer.
(b) Substrate after etch
2
刻蚀的主要指标
• 刻蚀速率，通常用A/min来表示 负载效应
T = change in thickness
T
t = elapsed time during etch
Start of etch
End of etch
3
刻蚀的主要指标
• 刻蚀剖面：各向同性和各向异性两种
Isotropic etch - etches in all directions at the same rate
Anisotropic etch etches in only one
direction
Resist
Resist
Film Substrate
Film Substrate
4
刻蚀侧壁剖面
Chemical Etch
Combined Physical and
Chemical
Physical ion sputtering
Etch Mechanism
Radicals in Radicals in
plasma reacting liquid (?)
with wafer
reacting with
第十章 刻蚀技术
1
刻蚀的目的
• 刻蚀是用物理或化学方法有选择地从硅片 表面去除不需要的材料的过程。
• 两种基本刻蚀工艺：干法和湿法
Photoresist mask
Photoresist
Film
mask
to be etched
Protected film
(a) Photoresist-patterned substrate
Isotropic
Isotropic
Isotropic to Anisotropic
Fair/good (5:1 Good/excellent Fair/good
to 100:1)
(up to 500:1) (5:1 to 100:1)
Etch Rate
High
Moderate
Low
Moderate
Type of Etch Sidewall Profile
Wet Etch Dry Etch
Isotropic
Isotropic (depending on equipment &
parameters) Anisotropic (depending on equipment & parameters) Anisotropic –
Pressure signal
Exhaust
Roughing
pump
13
Process gases
氟化胺
14
15
硅的各向同性腐蚀
• 对于半导体材料，湿法化学刻蚀通常是先进行氧 化反应，在通过化学反应溶解氧化物。
• 硅常见刻蚀液是：硝酸+氢氟酸+醋酸 氧化过程：
Si 4HNO3 SiO2 2H2O 4NO2
Anisotropic etch
Electric field
Anode Etch process chamber
l
3) Recombination of electrons with atoms creates plasma
l
By-products
8) By-product removal
Exhaust
氢氟酸用于溶解氧化硅：
SiO2 6HF H2SiF6 2H2O
醋酸能够减少硝酸分解
16
17
18
19
20
21
微悬臂梁(表面MEMS）
22
23
微化学离子传感器
24
Anisotropic etch
Isotropic etch
11
各种干法刻蚀方法的比较
Etch Parameter
Physical Etch (RF field
perpendicular to wafer surface)
Physical Etch (RF field parallel to
wafer surface)
9
干法刻蚀（等离子体刻蚀过程）
RF generator
1) Etchant gases enter chamber
Gas delivery
2) Dissociation of reactants by electric fields
4) Reactive +ions bombard surface