微细加工与MEMS技术-11-刻蚀

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,11,章 刻 蚀,去胶,显影（第,1 次图形转移）,刻蚀（第,2,次图形转移）,选择曝光,1,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。,2、刻蚀的均匀性好（片内、片间、批次间）,刻蚀均匀性一般为 。大量或大面积硅片同时刻蚀时，刻蚀速率会减小，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。,4、钻蚀小,5、对硅片的损伤小,6、安全环保,2,钻蚀,（undercut）现象,对刻蚀速率的各向异性的定量描述,式中，,R,L,和,R,V,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，有严重的钻蚀。,3,刻蚀技术,湿法,干法,化学刻蚀,电解刻蚀,离子铣刻蚀（物理作用）,等离子体刻蚀（化学作用）,反应离子刻蚀（物理化学作用）,刻蚀技术的种类,与湿法化学刻蚀相比，,干法,刻蚀对温度不那么敏感，工艺重复性好；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。,4,11.1 湿法刻蚀,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；,2、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。,缺点,1、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；,3、化学反应时往往伴随放热与放气，导致腐蚀不均匀。,5,常用腐蚀液举例,1、SiO,2,腐蚀液,BHF：28,ml HF + 170,ml H,2,O + 113,g NH,4,F,2、Si,腐蚀液,Dash etch: 1,ml HF + 3,ml HNO,3,+ 10,ml CH,3,COOH,Sirtl etch: 1,ml HF + 1,ml CrO,3,( 5,M,水溶液 ),Silver etch: 2,ml HF + 1,ml HNO,3,+ 2,ml AgNO,3,（0.65,M,水溶液），（用于检测外延层缺陷）,Wright etch: 60,ml HF + 30,ml HNO,3,+ 60,ml CH,3,COOH + 60,ml H,2,O + 30,ml CrO,3,( 1g,in,2,ml H,2,O ) + 2g (CuNO,3,),2,3H,2,O ，（此腐蚀液可长期保存）,6,3、Si,3,N,4,腐蚀液,HF,H,3,PO,4,( 140,o,C 200,o,C ),4、Al,腐蚀液,4,ml H,3,PO,4,+ 1ml HNO,3,+ 4,ml CH,3,COOH + 1ml H,2,O ， （35,nm,/,min）,0.1M K,2,Br,4,O,7,+ 0.51,M KOH + 0.6,M K,3,Fe(CN),6,， （1,m,/,min ，腐蚀时不产生气泡）,5、Au,腐蚀液,王水：3,ml HCl + 1ml HNO,3,，（25,50,m,/,min）,4g KI +1g I + 40,ml H,2,O（0.5,1,m,/,min，不损伤光刻胶）,7,11.3 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）,8,11.4 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。,9,刻蚀硅基材料时的刻蚀气体有,CF,4,、C,2,F,6,和,SF,6,等。其中最常用的是,CF,4,。,CF,4,本身并不会直接,刻蚀硅。等离子体中的高能电子撞击,CF,4,分子使之裂解成,CF,3,、CF,2,、C,和,F ，这些都是具有极强化学反应性的原子团。,CF,4,等离子体对,Si,和,SiO,2,有很高的刻蚀选择比，室温下可高达,50，所以很适合刻蚀,SiO,2,上的,Si,或多晶,Si 。,在,CF,4,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,SiO,2,的刻蚀速率，从而适合刻蚀,Si,上的,SiO,2,。,10,二、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，采用的刻蚀气体是,O,2,。后来又利用,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。,Vacuum pump,Gas in,RF electrode,RF,generator,Wafers,Quartz boat,Wafers,Reaction chamber,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： O,2,（去胶）,F,基（刻蚀,Si、Poly-Si、Si,3,N,4,等）,F,基,+,H,2,（刻蚀,SiO,2,等）,气压（真空度）：0.1,10 Torr,分辨率：2,m,12,1、,为各向同性腐蚀，存在侧向钻蚀，分辨率不高；,3、均匀性差；,4、不适于刻蚀,SiO,2,和,Al。,筒式等离子体刻蚀反应器的,缺点,2、负载效应大，刻蚀速率随刻蚀面积的增大而减小；,13,2、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，也有微弱的物理,溅射,刻蚀作用。离子的能量可以促进原子团与硅片之间的化学反应，提高刻蚀,速率，同时使,刻蚀具有一定的,各向异性，使分辨率有所提高。,14,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,。,15,典型工艺条件,射频频率：13.56 MHz,工作气体：F,基、Cl,基（可加少量,He、Ar、H,2,、O,2,等）,气压：10,-2,1 Torr,分辨率：0.5,1,m,16,离子铣刻蚀,又称为,离子束溅射刻蚀,。,11.5 离子铣,一、离子溅射刻蚀机理,一次溅射：,入射离子直接将晶格位置上的原子碰撞出来。,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,。,二次溅射：,被入射离子碰撞出来的晶格原子，若具有足够的能量时，可再将其它晶格原子碰撞出来。,17,选择离子的原则,令 ，可得 ，且 ，这时靶原子可获得最大能量，即 。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。,1、质量,质量为,M,2,的靶原子从质量为,M,1,的入射离子获得的能量为,18,2、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,SiO,2,进行溅射加工，根据要求,2，入射离子应在惰性气体离子,Ar,+,、Kr,+,和,Xe,+,中选择，又因,Si,原子和,O,2,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。而且Ar,+,离子也是相对比较容易获得的。,19,相对溅射率：,在单位离子束电流密度下，单位时间内加工表面的减薄量，记为,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，记为 。,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，记为,S,。溅射率,S,是入射角 的函数。,0,30,o,60,o,90,o,式中，,n,代表被溅射材料的原子密度。,20,溅射率与离子能量的关系,式中，,V,0,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，这时表面溅射反而减小，成为,离子注入,。,21,几种常用材料的相对溅射率,（条件：Ar,+,，1,kV，1mA/cm,2,，5,10,-5,Torr，单位,nm/min）,Si : 36， GaAs : 260， SiO,2,(热氧化) : 42，,Al : 44， Au : 160， Cr : 20，,KTER : 39， AZ1350 : 60， PMMA : 84，,上述数据说明，,离子溅射的选择比很差。,22,2、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。,(1) 离子源与加工室分离的，如考夫曼型，离子源气压为 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。,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，离子源通常采用,LMIS。也可采用等离子体型，离子通常用,Ar,+,。,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。,23,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）,射频发生器,工作原理（以射频型为例）,24,典型工艺条件,射频频率：13.56,MHz,直流偏压：50,3000,V,工作气体（离子）：Ar,气压（真空度）：约,10,-2,Torr,分辨率：0.1,m,25,三、离子束溅射刻蚀的特点,优点,1、入射离子有很强的方向性，为各向异性刻蚀，无侧向钻蚀，刻蚀分辨率高；,2、能刻蚀任何材料，一次能刻蚀多层材料；,3、刻蚀在高真空中进行，刻蚀过程不易受污染。,26,缺点,1、选择比差,对不同材料的刻蚀速率的差别小于 3 倍，对光刻胶及下层材料的选择比常接近于 1 : 1，甚至对光刻胶的刻蚀速率更快 。选择比差的后果是，第一，当采用掩模方式时，刻蚀深度受到限制；第二，刻蚀终点难以控制，容易损伤下层材料。,2、刻蚀速度慢，效率低,27,4、有再淀积效应,3、有侧向刻蚀,5、图形边缘出现沟槽,28,简称为,RIE，但是其更恰当的名称应该是离子辅助刻蚀。,11.6 反应离子刻蚀,反应离子刻蚀,装置可分为平板式与六角形式。与平板式,等离子体刻蚀相比，,区别是将硅片放在阴极上，而,等离子体刻蚀,是将硅片放在阳极上,。与离子铣刻蚀相比，区别是要通入腐蚀性气体如,Cl,基、F,基气体，而离子铣刻蚀用的是惰性气体。,阴极,多孔阳极,射频源,气体,29,反应离子刻蚀具有等离子体刻蚀的刻蚀速率快的优点，而且比等离子体刻蚀还要快，同时又具有离子铣刻蚀的各向异性因而分辨率高的优点。,离子的轰击起到了多种作用。1、离子轰击提供的能量提高了表面层的化学活性；2、离子轰击可使反应气体更容易穿透表面的阻碍物而达到反应层；,3、还有轻微的物理,溅射刻蚀,作用。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。,当使用某些混合气体如,BCl,3,、CCl,4,、SiCl,4,，反应过程会在侧壁上形成保护性的聚合物薄膜，进一步提高了各向异性。,30,典型工艺条件,射频频率：13.56,MHz,工作气体：Cl,基、F,基,气压：10,-1,10,-3,Torr,分辨率：0.1,0.2,m,刻蚀速率：100 ,200,nm/min,31,11.8 高密度等离子体（HDP）刻蚀,提高,刻蚀速率的方法之一是提高,等离子体的密度。若对,等离子体施加额外的电场与磁场，可以急剧增加自由电子的碰,撞几率,，在相同或者更低的气压与功率下增加离化率，从而提高,等离子体的密度。,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,（ECR），而现在用得最多,的是电,感耦合,等离子体,（ICP）。,高密度等离子体能够提供高浓度低能量的离子，因而能在提高刻蚀速率的同时，减少刻蚀时的沾污，降低刻蚀损伤。,32,11.9 剥离技术,剥离工艺可用于制造,IC,的金属互连线。,曝光,显影,淀积金属,去胶,剥离工艺中，当采用正胶时，获得的金属图形与掩模版上的图形相反，这与采用负胶及刻蚀工艺所得到的结果相同。,33,光刻胶的剖面轮廓有,顶切式、底切式,和,直壁式,三种。,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。,顶切式,底切式,直壁式,34,物理刻蚀为各向异性，无钻蚀，分辨率好；,化学刻蚀为各向同性，有钻蚀，分辨率差。,物理刻蚀的选择比小；化学刻蚀的选择比大。,可以通过调节工作气体的种类、气压、电极方式和电压等来控制刻蚀剖面的形状和选择比。,11.10 小结,35,1、工作气体,若只采用,Ar,等惰性气体，则发生纯物理的溅射刻蚀；若只采用,F,基、Cl,基等活泼气体 ，则发生纯化学的等离子体刻蚀 。而混合气体的刻蚀速率远大于两类单一气体刻蚀速率之和。,2、气压,气压越低，物理作用越强；气压越高，化学作用越强。,3、电极,若晶片置于阴极，则物理作用较强；若晶片置于阳极，则物理作用较弱；在圆,筒式反应器中，,晶片不置于电极上，则无物理作用。,4、电压,电压越高，物理作用越强；电压越低，物理作用越弱。,36,各种干法刻蚀方法比较,37,习 题,1、在下面的,2,种应用中，应该使用等离子体刻蚀设备，还是离子铣,刻蚀,设备？为什么？,（a）,在薄,SiO,2,膜上刻蚀较厚的多晶硅层；,（b）在厚,SiO,2,膜上各向异性地刻蚀较薄的多晶硅层。,2、用化学,湿法刻蚀硅上的,SiO,2,薄膜，试画出在 (a) 刻蚀刚好完成；(b) 100%,过刻蚀；(c) 200%,过刻蚀时的刻蚀图形的边缘剖面图。,38,