微細加工與MEMS技術(shù)11刻蝕

1、1去膠去膠顯影（第顯影（第 1 次圖形轉(zhuǎn)移）次圖形轉(zhuǎn)移）選擇曝光選擇曝光2 1、適當?shù)目涛g速率、適當?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。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）、刻蝕的均勻性好（片內(nèi)、片間、批次間） 刻蝕均勻性一般為刻蝕均勻性一般為 。大量或大面積硅片同時刻蝕時，。大量或大面積硅片同時刻蝕時，刻蝕速率會減小，這稱為刻蝕的刻蝕速率會減小，這稱為刻蝕的 。 3、選擇比大、選擇比大 選擇比指對不同材料的刻蝕速率的比值。選擇比指對不同材料的刻蝕速率的比值。 4、鉆蝕小、鉆蝕小 5、對硅片的損傷小、對硅片的損傷小 6、安全環(huán)保、安

2、全環(huán)保 5%3 （undercut）現(xiàn)象）現(xiàn)象 對刻蝕速率的各向異性的定量描述對刻蝕速率的各向異性的定量描述LV1RAR 式中，式中，RL 和和 RV 分別代表橫向刻蝕速率和縱向刻蝕速率。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，無鉆蝕；表示理想的各向異性，無鉆蝕；A = 0 表示各向同性，表示各向同性，有嚴重的鉆蝕。有嚴重的鉆蝕。4刻蝕技術(shù)刻蝕技術(shù)濕法濕法干法干法化學刻蝕化學刻蝕電解刻蝕電解刻蝕離子銑刻蝕（物理作用）離子銑刻蝕（物理作用）等離子體刻蝕（化學作用）等離子體刻蝕（化學作用）反應(yīng)離子刻蝕（物理化學作用）反應(yīng)離子刻蝕（物理化學作用） 與濕法化學刻蝕相比，干

3、法刻蝕對溫度不那么敏感，工藝與濕法化學刻蝕相比，干法刻蝕對溫度不那么敏感，工藝重復性好；有一定的各向異性；等離子體中的顆粒比腐蝕液中重復性好；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)生的化學廢物也少得多。的少得多；產(chǎn)生的化學廢物也少得多。 5 濕法刻蝕是一種純粹的化學反應(yīng)過程。濕法刻蝕是一種純粹的化學反應(yīng)過程。 1、應(yīng)用范圍廣，適用于幾乎所有材料；、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的控制；、選擇比大，易于光刻膠的掩蔽和刻蝕終點的控制； 3、操作簡單，成本低，適宜于大批量加工。、操作簡單，成本低，適宜于大批量加工。 1、為各向同性腐蝕，容

4、易出現(xiàn)鉆蝕；、為各向同性腐蝕，容易出現(xiàn)鉆蝕； 2、由于液體存在表面張力，不適宜于腐蝕極細的線條；、由于液體存在表面張力，不適宜于腐蝕極細的線條； 3、化學反應(yīng)時往往伴隨放熱與放氣，導致腐蝕不均勻。、化學反應(yīng)時往往伴隨放熱與放氣，導致腐蝕不均勻。6 BHF：28 ml HF + 170 ml H2O + 113 g NH4F Dash etch: 1 ml HF + 3 ml HNO3 + 10 ml CH3COOH Sirtl etch: 1 ml HF + 1 ml CrO3 ( 5 M 水溶液水溶液 ) Silver etch: 2 ml HF + 1 ml HNO3 + 2 ml AgN

5、O3（0.65 M 水水溶液），（用于檢測外延層缺陷）溶液），（用于檢測外延層缺陷） Wright etch: 60 ml HF + 30 ml HNO3 + 60 ml CH3COOH + 60 ml H2O + 30 ml CrO3 ( 1g in 2 ml H2O ) + 2g (CuNO3)23H2O ，（此腐蝕液可長期保存）（此腐蝕液可長期保存） 7 HF H3PO4 ( 140oC 200oC ) 4 ml H3PO4 + 1ml HNO3 + 4 ml CH3COOH + 1ml H2O ， （35 nm/ /min） 0.1M K2Br4O7 + 0.51 M KOH + 0.

6、6 M K3Fe(CN)6 ， （1 m/ /min ，腐蝕時不產(chǎn)生氣泡），腐蝕時不產(chǎn)生氣泡） 王水：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），不損傷光刻膠）8等離子體刻蝕（化學作用）等離子體刻蝕（化學作用）反應(yīng)離子刻蝕（物理化學作用）反應(yīng)離子刻蝕（物理化學作用）離子銑刻蝕（物理作用）離子銑刻蝕（物理作用）9 在低溫等離子體中在低溫等離子體中 ，除了含有電子和離子外，還含有大量，除了含有電子和離子外，還含有大量處于處于 和和 。正是利用。正是利用游離基和中性原子

7、團與被刻蝕材料之間的化學反應(yīng)游離基和中性原子團與被刻蝕材料之間的化學反應(yīng) ，來達到刻，來達到刻蝕的目的蝕的目的 。10 刻蝕硅基材料時的刻蝕氣體有刻蝕硅基材料時的刻蝕氣體有 CF4、C2F6 和和 SF6 等。其中等。其中最常用的是最常用的是 CF4 。 CF4 本身并不會直接刻蝕硅。等離子體中的高能電子撞擊本身并不會直接刻蝕硅。等離子體中的高能電子撞擊CF4 分子使之裂解成分子使之裂解成 CF3 、CF2 、C 和和 F ，這些都是具有極強，這些都是具有極強化學反應(yīng)性的原子團。化學反應(yīng)性的原子團。 CF4 等離子體對等離子體對 Si 和和 SiO2 有很高的刻蝕選擇比，室溫下可有很高的刻蝕選

8、擇比，室溫下可高達高達 50，所以很適合刻蝕，所以很適合刻蝕 SiO2 上的上的 Si 或多晶或多晶 Si 。 在在 CF4 中摻入少量其它氣體可改變刻蝕選擇比。摻入少量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氧氣可提高對 Si 的刻蝕速率的刻蝕速率 ；摻入少量氫氣則可提高對；摻入少量氫氣則可提高對 SiO2的刻蝕速率，從而適合刻蝕的刻蝕速率，從而適合刻蝕 Si 上的上的 SiO2。11 這種反應(yīng)器最早被用于去膠，采用的刻蝕氣體是這種反應(yīng)器最早被用于去膠，采用的刻蝕氣體是 O2 。后來。后來又利用又利用 F 基氣體來刻蝕硅基材料基氣體來刻蝕硅基材料 。屏蔽筒的作用是避免晶片與。

9、屏蔽筒的作用是避免晶片與等離子體接觸而產(chǎn)生損傷，同時可使刻蝕均勻。等離子體接觸而產(chǎn)生損傷，同時可使刻蝕均勻。Vacuum pumpGas inRF electrodeRFgeneratorWafersQuartz boatWafersReaction chamber12 射頻頻率：射頻頻率：13.56 MHz 射頻功率：射頻功率：300 600 W 工作氣體：工作氣體： O2（去膠）（去膠） F 基（刻蝕基（刻蝕 Si、Poly-Si、Si3N4 等）等） F 基基 + H2（刻蝕（刻蝕 SiO2 等）等） 氣壓（真空度）：氣壓（真空度）：0.1 10 Torr 分辨率：分辨率：2 m 13

10、1、為各向同性腐蝕，存在側(cè)向鉆蝕，分辨率不高；、為各向同性腐蝕，存在側(cè)向鉆蝕，分辨率不高； 3、均勻性差；、均勻性差； 4、不適于刻蝕、不適于刻蝕 SiO2 和和 Al。 筒式等離子體刻蝕反應(yīng)器的筒式等離子體刻蝕反應(yīng)器的 2、負載效應(yīng)大，刻蝕速率隨刻蝕面積的增大而減小；、負載效應(yīng)大，刻蝕速率隨刻蝕面積的增大而減?。?4 射頻源射頻源陰極陰極陽極陽極氣體氣體 硅片放在陽極上。這種刻蝕以化學刻蝕為主，也有微弱的硅片放在陽極上。這種刻蝕以化學刻蝕為主，也有微弱的物理濺射刻蝕作用。離子的能量可以促進原子團與硅片之間的物理濺射刻蝕作用。離子的能量可以促進原子團與硅片之間的化學反應(yīng)，提高刻蝕速率，同時使刻

11、蝕具有一定的各向異性，化學反應(yīng)，提高刻蝕速率，同時使刻蝕具有一定的各向異性，使分辨率有所提高。使分辨率有所提高。15 非揮發(fā)性的反應(yīng)產(chǎn)物在側(cè)壁的淀積也可實現(xiàn)一定程度的各非揮發(fā)性的反應(yīng)產(chǎn)物在側(cè)壁的淀積也可實現(xiàn)一定程度的各向異性刻蝕。向異性刻蝕。16 射頻頻率：射頻頻率：13.56 MHz 工作氣體：工作氣體：F 基、基、Cl 基（可加少量基（可加少量 He、Ar、H2、O2 等）等） 氣壓：氣壓：10-2 1 Torr 分辨率：分辨率：0.5 1 m17 又稱為又稱為 。 一次濺射：一次濺射：入射離子直接將晶格位置上的原子碰撞出來。入射離子直接將晶格位置上的原子碰撞出來。 入射離子以高速撞擊固體

12、表面，當傳遞給固體原子的能量入射離子以高速撞擊固體表面，當傳遞給固體原子的能量超過其結(jié)合能（幾到幾十電子伏特）時，固體原子就會脫離其超過其結(jié)合能（幾到幾十電子伏特）時，固體原子就會脫離其晶格位置而被濺射出來。這是一種晶格位置而被濺射出來。這是一種 。 二次濺射：二次濺射：被入射離子碰撞出來的晶格原子，若具有足夠被入射離子碰撞出來的晶格原子，若具有足夠的能量時，可再將其它晶格原子碰撞出來。的能量時，可再將其它晶格原子碰撞出來。18022121)(4EMMMME 令令 ，可得，可得 ，且，且 ，這時靶原子，這時靶原子可獲得最大能量，即可獲得最大能量，即 。所以為獲得最好的濺射效果，。所以為獲得最好

13、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。應(yīng)選擇入射離子使其質(zhì)量盡可能接近靶原子。1d0dEM21MM 221d0dEM0maxEE 1、質(zhì)量、質(zhì)量 質(zhì)量為質(zhì)量為 M2 的靶原子從質(zhì)量為的靶原子從質(zhì)量為 M1 的入射離子獲得的能量為的入射離子獲得的能量為19 2、要求入射離子對被刻蝕材料的影響盡量小、要求入射離子對被刻蝕材料的影響盡量小 3、容易獲得、容易獲得 例如，若要對例如，若要對 SiO2 進行濺射加工，根據(jù)要求進行濺射加工，根據(jù)要求 2，入射離子，入射離子應(yīng)在惰性氣體離子應(yīng)在惰性氣體離子 Ar+、Kr+ 和和 Xe+ 中選擇，又因中選擇，又因 Si 原子和原子和 O2 分子的

14、原子量分別是分子的原子量分別是 28 和和 32，而，而 Ar+、Kr+ 和和 Xe+ 的原子量分的原子量分別是別是 40、84 和和 131，所以采用，所以采用 離子的效果是最好的。而且離子的效果是最好的。而且Ar+ 離子也是相對比較容易獲得的。離子也是相對比較容易獲得的。20 相對濺射率：相對濺射率：在單位離子在單位離子束電流密度下，單位時間內(nèi)加束電流密度下，單位時間內(nèi)加工表面的減薄量，記為工表面的減薄量，記為 入射角：入射角：靶平面法線與入射離子束的夾角，記為靶平面法線與入射離子束的夾角，記為 。 濺射率：濺射率：由一個入射離子濺射出來的原子或分子的數(shù)目，由一個入射離子濺射出來的原子或分

15、子的數(shù)目，也稱為濺射產(chǎn)率，記為也稱為濺射產(chǎn)率，記為 S 。濺射率。濺射率 S 是入射角是入射角 的函數(shù)。的函數(shù)。S( )U19S210cm/s( )( )cos()1.6A/cmUSn030o60o90oS( )U)(S 式中，式中，n 代表被濺射材料代表被濺射材料的原子密度。的原子密度。21 2aa0aa0aaaaa25150V :() ,150400V :(),4005KV :,5K20KV :lg,20K50KV :VSVVVSVVVSVVSVVS呈現(xiàn)飽和甚至下降。式中，式中，V0 為臨界電壓，對金屬靶約為為臨界電壓，對金屬靶約為 25 V 。 入射離子能量更高時，離子將進入固體內(nèi)較深的

16、區(qū)域，這入射離子能量更高時，離子將進入固體內(nèi)較深的區(qū)域，這時表面濺射反而減小，成為時表面濺射反而減小，成為 。22 幾種常用材料的相對濺射率幾種常用材料的相對濺射率（條件：（條件：Ar+，1 kV，1mA/cm2，510-5 Torr，單位，單位 nm/min） Si : 36， GaAs : 260， SiO2 (熱氧化熱氧化) : 42， Al : 44， Au : 160， Cr : 20， KTER : 39， AZ1350 : 60， PMMA : 84， 上述數(shù)據(jù)說明，上述數(shù)據(jù)說明，23 通常采用光刻膠作掩模。有兩種類型的刻蝕裝置。通常采用光刻膠作掩模。有兩種類型的刻蝕裝置。 (1

17、) 離子源與加工室分離的，如考夫曼型，離子源氣壓為離子源與加工室分離的，如考夫曼型，離子源氣壓為 10-2 10-4 Torr ，加工室氣壓為，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，氣壓為離子源與加工室一體的，如射頻型，氣壓為 10-2 Torr。 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，離子源通常采用采用 LMIS。也可采用等離子體型，離子通常用。也可采用等離子體型，離子通常用 Ar+。 無需掩模與光刻膠，刻蝕深度范圍大。無需掩模與光刻膠，刻蝕深度范圍大。 刻蝕效率低，設(shè)備復雜昂貴。刻蝕效率低，

18、設(shè)備復雜昂貴。24接地接地電極（陽極）電極（陽極）等離子體區(qū)（亮區(qū)）等離子體區(qū)（亮區(qū)）電位降區(qū)（暗區(qū)）電位降區(qū)（暗區(qū)）浮空浮空電極（陰極）電極（陰極）射頻發(fā)生器射頻發(fā)生器CbVaV 工作原理（以射頻型為例）工作原理（以射頻型為例）25 射頻頻率：射頻頻率：13.56 MHz 直流偏壓：直流偏壓：50 3000 V 工作氣體（離子）：工作氣體（離子）：Ar 氣壓（真空度）：約氣壓（真空度）：約 10-2 Torr 分辨率：分辨率：0.1 m26 1、入射離子有很強的方向性，為各向異性刻蝕，無側(cè)向、入射離子有很強的方向性，為各向異性刻蝕，無側(cè)向鉆蝕，刻蝕分辨率高；鉆蝕，刻蝕分辨率高； 2、能刻蝕任

19、何材料，一次能刻蝕多層材料；、能刻蝕任何材料，一次能刻蝕多層材料； 3、刻蝕在高真空中進行，刻蝕過程不易受污染。、刻蝕在高真空中進行，刻蝕過程不易受污染。27 1、選擇比差、選擇比差 對不同材料的刻蝕速率的差別小于對不同材料的刻蝕速率的差別小于 3 倍，對光刻膠及下層倍，對光刻膠及下層材料的選擇比常接近于材料的選擇比常接近于 1 : 1，甚至對光刻膠的刻蝕速率更快，甚至對光刻膠的刻蝕速率更快 。選擇比差的后果是，第一，當采用掩模方式時，刻蝕深度受到選擇比差的后果是，第一，當采用掩模方式時，刻蝕深度受到限制；第二，刻蝕終點難以控制，容易損傷下層材料。限制；第二，刻蝕終點難以控制，容易損傷下層材料

20、。 2、刻蝕速度慢，效率低、刻蝕速度慢，效率低28 4、有再淀積效應(yīng)、有再淀積效應(yīng) 3、有側(cè)向刻蝕、有側(cè)向刻蝕 5、圖形邊緣出現(xiàn)溝槽、圖形邊緣出現(xiàn)溝槽 29 簡稱為簡稱為 RIE，但是其更恰當?shù)拿Q應(yīng)該是離子輔助刻蝕。，但是其更恰當?shù)拿Q應(yīng)該是離子輔助刻蝕。 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極上。與離子銑刻蝕相比，區(qū)別是要通入腐蝕是將硅片放在陽極上。與離子銑刻蝕相比，區(qū)別是要通入腐蝕性氣體如性氣體如 Cl

21、基、基、F 基氣體，而離子銑刻蝕用的是惰性氣體?；鶜怏w，而離子銑刻蝕用的是惰性氣體。陰極陰極多孔陽極多孔陽極射頻源射頻源氣體氣體30 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，而反應(yīng)離子刻蝕具有等離子體刻蝕的刻蝕速率快的優(yōu)點，而且比等離子體刻蝕還要快，同時又具有離子銑刻蝕的各向異性且比等離子體刻蝕還要快，同時又具有離子銑刻蝕的各向異性因而分辨率高的優(yōu)點。因而分辨率高的優(yōu)點。 離子的轟擊起到了多種作用。離子的轟擊起到了多種作用。1、離子轟擊提供的能量提高、離子轟擊提供的能量提高了表面層的化學活性；了表面層的化學活性；2、離子轟擊可使反應(yīng)氣體更容易穿透表、離子轟擊可使反應(yīng)氣體更容易穿透表面的

22、阻礙物而達到反應(yīng)層；面的阻礙物而達到反應(yīng)層；3、還有輕微的物理濺射刻蝕作用。、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)面的刻蝕要快得多。擊的側(cè)面的刻蝕要快得多。 當使用某些混合氣體如當使用某些混合氣體如 BCl3、CCl4、SiCl4 ，反應(yīng)過程會，反應(yīng)過程會在側(cè)壁上形成保護性的聚合物薄膜，進一步提高了各向異性。在側(cè)壁上形成保護性的聚合物薄膜，進一步提高了各向異性。31 射頻頻率：射頻頻率：13.56 MHz 工作氣體：工作氣體：Cl 基、基、F 基基 氣壓：氣壓：10-1 10-3 Torr

23、 分辨率：分辨率：0.1 0.2 m刻蝕速率：刻蝕速率：100 200 nm/min32 提高刻蝕速率的方法之一是提高等離子體的密度。若對等提高刻蝕速率的方法之一是提高等離子體的密度。若對等離子體施加額外的電場與磁場，可以急劇增加自由電子的碰撞離子體施加額外的電場與磁場，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。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（），而現(xiàn)在用得

24、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，減少刻蝕時的沾污，降低刻蝕損傷。提高刻蝕速率的同時，減少刻蝕時的沾污，降低刻蝕損傷。33 剝離工藝可用于制造剝離工藝可用于制造 IC 的金屬互連線。的金屬互連線。曝光曝光顯影顯影淀積金屬淀積金屬去膠去膠 剝離工藝中，當采用正膠時，獲得的金屬圖形與掩模版上剝離工藝中，當采用正膠時，獲得的金屬圖形與掩模版上的圖形相反，這與采用負膠及刻蝕工藝所得到的結(jié)果相同。的圖形相反，這與采用負膠及刻蝕工藝所得到的結(jié)果相同。34 光刻膠的剖面輪廓有光刻膠的剖面輪廓有 和和 三種。三種。 對于剝離工藝，為了使有膠區(qū)和無膠區(qū)的金屬薄膜很好地對于剝離工藝，為了使有膠區(qū)和無膠區(qū)的金屬薄膜很好地分離，希望獲得底切式的輪廓。對分離，希望獲得底切式的輪廓。對 PMMA 正性光刻膠在采取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，可以形成底切式 ，而且膠膜較厚，所以在剝離工藝中常采用而且膠膜較厚，所以在剝離工藝中常采用 PMMA 膠。膠。頂切式頂切式底切式底切式直壁式直壁式35 物理刻蝕為各向異性，無鉆蝕，分辨率好；物理刻蝕為各向異性，無鉆蝕，分辨率好