最新微细加工与MEMS技术张庆中11刻蚀PPT课件.ppt

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1、微细加工与微细加工与MEMSMEMS技术张庆技术张庆中中1111刻蚀刻蚀 对刻蚀的要求对刻蚀的要求对刻蚀的要求对刻蚀的要求 1、适当的刻蚀速率、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。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）、刻蚀的均匀性好（片内、片间、批次间）刻蚀均匀性一般为刻蚀均匀性一般为 。大量或大面积硅片同时刻蚀时，。大量或大面积硅片同时刻蚀时，刻蚀速率会减小，这称为刻蚀的刻蚀速率会减小，这称为刻蚀的 负载效应负载效应负载效应负载效应。3、选择比大、选择比大 选择比指对不同材料的刻蚀速率的比值。选择比指对不同材料的刻蚀速率的比值。

2、4、钻蚀小、钻蚀小 5、对硅片的损伤小、对硅片的损伤小 6、安全环保、安全环保 11.4 等离子体刻蚀等离子体刻蚀 一、等离子体刻蚀机理一、等离子体刻蚀机理一、等离子体刻蚀机理一、等离子体刻蚀机理 在低温等离子体中在低温等离子体中，除了含有电子和离子外，还含有大量，除了含有电子和离子外，还含有大量处于处于 激发态的游离基激发态的游离基激发态的游离基激发态的游离基 和和 化学性质活泼的中性原子团化学性质活泼的中性原子团化学性质活泼的中性原子团化学性质活泼的中性原子团。正是利用。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，来达到刻蚀的

3、目的蚀的目的。对硅基材料的基本刻蚀原理对硅基材料的基本刻蚀原理对硅基材料的基本刻蚀原理对硅基材料的基本刻蚀原理 是用是用是用是用“硅硅硅硅-卤卤卤卤”键代替键代替键代替键代替 “硅硅硅硅-硅硅硅硅”键键键键 ，从而产生挥发性的硅卤化合物。，从而产生挥发性的硅卤化合物。，从而产生挥发性的硅卤化合物。，从而产生挥发性的硅卤化合物。刻蚀硅基材料时的刻蚀气体有刻蚀硅基材料时的刻蚀气体有 CF4、C2F6 和和 SF6 等。其中等。其中最常用的是最常用的是 CF4。CF4 本身并不会直接本身并不会直接刻蚀硅。等离子体中的高能电子撞击刻蚀硅。等离子体中的高能电子撞击CF4 分子使之裂解成分子使之裂解成 C

4、F3、CF2、C 和和 F，这些都是具有极强，这些都是具有极强化学反应性的原子团。化学反应性的原子团。CF4 等离子体对等离子体对 Si 和和 SiO2 有很高的刻蚀选择比，室温下可有很高的刻蚀选择比，室温下可高达高达 50，所以很适合刻蚀，所以很适合刻蚀 SiO2 上的上的 Si 或多晶或多晶 Si。在在 CF4 中掺入少量其它气体可改变刻蚀选择比。掺入少量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氧气可提高对 Si 的刻蚀速率的刻蚀速率；掺入少量氢气则可提高对；掺入少量氢气则可提高对 SiO2的刻蚀速率，从而适合刻蚀的刻蚀速率，从而适合刻蚀 Si 上的上的 SiO2。二、等离

5、子体刻蚀反应器二、等离子体刻蚀反应器二、等离子体刻蚀反应器二、等离子体刻蚀反应器 1 1、圆筒式反应器、圆筒式反应器、圆筒式反应器、圆筒式反应器 这种这种反应器最早被用于去胶，采用的刻蚀气体是反应器最早被用于去胶，采用的刻蚀气体是 O2。后来。后来又利用又利用 F 基气体来刻蚀硅基材料基气体来刻蚀硅基材料。屏蔽筒的作用是避免屏蔽筒的作用是避免晶片与晶片与等离子体接触而产生损伤，同时可使刻蚀均匀。等离子体接触而产生损伤，同时可使刻蚀均匀。Vacuum pumpGas inRF electrodeRFgeneratorWafersQuartz boatWafersReaction chamber

6、典型工艺条件典型工艺条件典型工艺条件典型工艺条件 射频频率：射频频率：13.56 MHz 射频功率：射频功率：300 600 W 工作气体：工作气体：O2（去胶）（去胶）F 基（刻蚀基（刻蚀 Si、Poly-Si、Si3N4 等）等）F 基基+H2（刻蚀（刻蚀 SiO2 等）等）气压（真空度）：气压（真空度）：0.1 10 Torr 分辨率：分辨率：2 m 1、为各向同性腐蚀，存在侧向钻蚀，分辨率不高；为各向同性腐蚀，存在侧向钻蚀，分辨率不高；3、均匀性差；、均匀性差；4、不适于刻蚀、不适于刻蚀 SiO2 和和 Al。筒式等离子体刻蚀反应器的筒式等离子体刻蚀反应器的 缺点缺点缺点缺点 2、负载

7、效应大，刻蚀速率随刻蚀面积的增大而减小；、负载效应大，刻蚀速率随刻蚀面积的增大而减小；2 2、平板式、平板式、平板式、平板式反应器反应器反应器反应器射频源射频源阴极阴极阳极阳极气体气体 硅片放在阳极上。这种刻蚀硅片放在阳极上。这种刻蚀以以化学刻蚀为主，也有微弱的化学刻蚀为主，也有微弱的物理物理溅射溅射刻蚀作用。离子的能量可以促进原子团与硅片之间的刻蚀作用。离子的能量可以促进原子团与硅片之间的化学反应，提高刻蚀化学反应，提高刻蚀速率，同时使速率，同时使刻蚀具有一定的刻蚀具有一定的各向异性，各向异性，使分辨率有所提高。使分辨率有所提高。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非挥发性的反

8、应产物在侧壁的淀积也可实现一定程度的各向异性向异性刻蚀刻蚀。典型工艺条件典型工艺条件典型工艺条件典型工艺条件 射频频率：射频频率：13.56 MHz 工作气体：工作气体：F 基、基、Cl 基（可加少量基（可加少量 He、Ar、H2、O2 等）等）气压：气压：10-2 1 Torr 分辨率：分辨率：0.5 1 m 离子铣刻蚀离子铣刻蚀离子铣刻蚀离子铣刻蚀 又称为又称为 离子束溅射刻蚀离子束溅射刻蚀离子束溅射刻蚀离子束溅射刻蚀。11.5 离子铣离子铣 一、离子溅射刻蚀机理一、离子溅射刻蚀机理一、离子溅射刻蚀机理一、离子溅射刻蚀机理 一次溅射：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

9、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。这是一种晶格位置而被溅射出来。这是一种 纯粹的物理过程纯粹的物理过程纯粹的物理过程纯粹的物理过程。二次溅射：二次溅射：被入射离子碰撞出来的晶格原子，若具有足够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。的能量时，可再将其它晶格原子碰撞出来。选择离子的原则选择离子的原则选择离子的原则选择离子的原则 令令

10、 ，可得，可得 ，且，且 ，这时靶原子，这时靶原子可获得最大能量，即可获得最大能量，即 。所以为获得最好的溅射效果，。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。应选择入射离子使其质量尽可能接近靶原子。1、质量、质量 质量为质量为 M2 的靶原子从质量为的靶原子从质量为 M1 的入射离子获得的能量为的入射离子获得的能量为 2、要求入射离子对被刻蚀材料的影响尽量小、要求入射离子对被刻蚀材料的影响尽量小 3、容易获得、容易获得 例如，若要对例如，若要对 SiO2 进行溅射加工，根据要求进行溅射加工，根据要求 2，入射离子，入射离子应在惰性气体离子应在惰性气体离子 Ar+、Kr

11、+和和 Xe+中选择，又因中选择，又因 Si 原子和原子和 O2 分子的原子量分别是分子的原子量分别是 28 和和 32，而，而 Ar+、Kr+和和 Xe+的原子量分的原子量分别是别是 40、84 和和 131，所以采用，所以采用 ArAr+离子的效果是最好的。而且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。离子也是相对比较容易获得的。相对溅射率：相对溅射率：在单位离子在单位离子束电流密度下，单位时间内加束电流密度下，单位时间内加工表面的减薄量，记为工表面的减薄量，记为 溅射率与入射角的关系溅射率与入射角的关系溅射率与入射角的关系溅射率与入射角的关系 入射角：入射角：靶平面法线与

12、入射离子束的夹角，记为靶平面法线与入射离子束的夹角，记为 。溅射率：溅射率：由一个入射离子溅射出来的原子或分子的数目，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，记为也称为溅射产率，记为 S。溅射率。溅射率 S 是入射角是入射角 的函数。的函数。030o60o90o 式中，式中，n 代表被溅射材料代表被溅射材料的原子密度。的原子密度。溅射率与离子能量的关系溅射率与离子能量的关系溅射率与离子能量的关系溅射率与离子能量的关系式中，式中，V0 为临界电压，对金属靶约为为临界电压，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，这入射离子能量更高时，离子将进入固体

13、内较深的区域，这时表面溅射反而减小，成为时表面溅射反而减小，成为 离子注入离子注入离子注入离子注入。几种常用材料的相对溅射率几种常用材料的相对溅射率（条件：（条件：Ar+，1 kV，1mA/cm2，510-5 Torr，单位，单位 nm/min）Si:36，GaAs:260，SiO2(热氧化热氧化):42，Al:44，Au:160，Cr:20，KTER:39，AZ1350:60，PMMA:84，上述数据说明，上述数据说明，离子溅射的选择比很差。离子溅射的选择比很差。离子溅射的选择比很差。离子溅射的选择比很差。2 2、掩模方式离子束溅射刻蚀、掩模方式离子束溅射刻蚀、掩模方式离子束溅射刻蚀、掩模方

14、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。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，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二、离子束溅射刻蚀装置二、离子束溅射刻蚀装置二、离子束溅射刻蚀装置 1 1、聚焦方式离子束溅射刻蚀、聚焦方式离子束溅射刻蚀、聚焦方式离子束溅射刻蚀、聚焦方式离子束溅射刻蚀 设备的基

15、本原理与聚焦离子束曝光装置相同，离子源通常设备的基本原理与聚焦离子束曝光装置相同，离子源通常采用采用 LMIS。也可采用等离子体型，离子通常用。也可采用等离子体型，离子通常用 Ar+。优点：优点：优点：优点：无需掩模与光刻胶，刻蚀深度范围大。无需掩模与光刻胶，刻蚀深度范围大。缺点：缺点：缺点：缺点：刻蚀效率低，设备复杂昂贵。刻蚀效率低，设备复杂昂贵。接地接地电极（阳极）电极（阳极）等离子体区（亮区）等离子体区（亮区）电位降区（暗区）电位降区（暗区）浮空浮空电极（阴极）电极（阴极）射频发生器射频发生器 工作原理（以射频型为例）工作原理（以射频型为例）典型工艺条件典型工艺条件典型工艺条件典型工艺条

16、件 射频频率：射频频率：13.56 MHz 直流偏压：直流偏压：50 3000 V 工作气体（离子）：工作气体（离子）：Ar 气压（真空度）：约气压（真空度）：约 10-2 Torr 分辨率：分辨率：0.1 m 三、离子束溅射刻蚀的特点三、离子束溅射刻蚀的特点三、离子束溅射刻蚀的特点三、离子束溅射刻蚀的特点 优点优点优点优点 1、入射离子有很强的方向性，为各向异性刻蚀，无侧向、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；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；、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。、刻蚀在高真

17、空中进行，刻蚀过程不易受污染。缺点缺点缺点缺点 1、选择比差、选择比差 对不同材料的刻蚀速率的差别小于对不同材料的刻蚀速率的差别小于 3 倍，对光刻胶及下层倍，对光刻胶及下层材料的选择比常接近于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，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。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、刻蚀速度慢，效率低 4、有再淀积效应、有再淀积效应 3、有侧向刻蚀、有侧向刻蚀 5、图形边缘

18、出现沟槽、图形边缘出现沟槽 简称为简称为 RIE，但是其更恰当的名称应该是离子辅助刻蚀。，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 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。与平板式装置可分为平板式与六角形式。与平板式等等离子体刻蚀相比，离子体刻蚀相比，区别是将硅片放在阴极上，而区别是将硅片放在阴极上，而等离子体刻蚀等离子体刻蚀是将硅片放在阳极上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。与离子铣刻蚀相比，区别是要通入腐蚀性气体如性气体如 Cl 基、基、F 基气体，而离子铣刻蚀用的是惰性气体。基气体，而离子铣刻蚀用的是惰性气体。阴极阴极多孔

19、阳极多孔阳极射频源射频源气体气体 反应离子刻蚀具有等离子体刻蚀的刻蚀速率快的优点，而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。因而分辨率高的优点。离子的轰击起到了多种作用。离子的轰击起到了多种作用。1、离子轰击提供的能量提高、离子轰击提供的能量提高了表面层的化学活性；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、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；面的阻碍物而达到反应层；3、还有轻微的物理、还有轻微的物理溅射刻蚀溅射刻蚀作用。作

20、用。由于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。击的侧面的刻蚀要快得多。当使用某些混合气体如当使用某些混合气体如 BCl3、CCl4、SiCl4，反应过程会，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。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。典型工艺条件典型工艺条件典型工艺条件典型工艺条件 射频频率：射频频率：13.56 MHz 工作气体：工作气体：Cl 基、基、F 基基 气压：气压：10-1 10-3 Torr 分辨率：分辨率：0.1 0.2 m刻蚀速率：刻蚀速率：100

21、 200 nm/min 11.8 高密度等离子体（高密度等离子体（HDP）刻蚀）刻蚀 提高提高刻蚀速率的方法之一是提高刻蚀速率的方法之一是提高等离子体的密度。若对等离子体的密度。若对等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撞几率几率，在相同或者更低的气压与功率下增加离化率，从而提高，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。等离子体的密度。最早用于刻蚀的高密度等离子体是最早用于刻蚀的高密度等离子体是电子回旋共振电子回旋共振等离子体等离子体（ECR），而现在用得最多），而现在用得最多的是电的是电感耦合感耦

22、合等离子体等离子体（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。提高刻蚀速率的同时，减少刻蚀时的沾污，降低刻蚀损伤。11.9 剥离技术剥离技术 剥离工艺可用于制造剥离工艺可用于制造 IC 的金属互连线。的金属互连线。曝光曝光显影显影淀积金属淀积金属去胶去胶 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。的图形相反，这与采用负胶及刻蚀工艺所得到的结果相同。光刻胶的剖面轮廓

23、有光刻胶的剖面轮廓有 顶切式、底切式顶切式、底切式顶切式、底切式顶切式、底切式 和和 直壁式直壁式直壁式直壁式 三种。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。对分离，希望获得底切式的轮廓。对 PMMA 正性光刻胶在采取双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层胶技术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，而且胶膜较厚，所以在剥离工艺中常采用且胶膜较厚，所以在剥离工艺中常采用 PMMA 胶。胶。顶切式顶切式底切式底切式直壁式直壁式 物理刻蚀为各向异性，无钻蚀，分辨率

24、好；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。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。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。来控制刻蚀剖面的形状和选择比。11.10 小结小结 1 1、工作气体、工作气体、工作气体、工作气体 若只采用若只采用 Ar 等惰性气体，则发生纯物理的溅射刻蚀；若只等惰性气体，则发生纯物理的溅射刻蚀；若只采用采用 F 基、基、Cl 基等活泼气体基等活泼气体，则发生纯化学的

25、等离子体刻蚀，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。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 2、气压、气压、气压、气压 气压越低，物理作用越强；气压越高，化学作用越强。气压越低，物理作用越强；气压越高，化学作用越强。3 3、电极、电极、电极、电极 若晶片置于阴极，则物理作用较强；若晶片置于阳极，则若晶片置于阴极，则物理作用较强；若晶片置于阳极，则物理作用较弱；在圆物理作用较弱；在圆筒式反应器中，筒式反应器中，晶片不置于电极上，则无晶片不置于电极上，则无物理作用。物理作用。4 4、电压、电压、电压、电压 电压越高，物理作用越强；电压越低，

26、物理作用越弱。电压越高，物理作用越强；电压越低，物理作用越弱。各种干法刻蚀方法比较各种干法刻蚀方法比较各种干法刻蚀方法比较各种干法刻蚀方法比较 圆筒式圆筒式 平板式平板式 反应离子反应离子 离子铣离子铣 工作气体工作气体CF4、O2 等等CF4、CCl4、Ar 等等 同左同左 Ar 气体压力气体压力(Torr)10-1 10 10-2 1 10-2 10-1 10-5 10-4 晶片放置晶片放置 屏蔽筒内屏蔽筒内 阳极阳极 阴极阴极 阴极阴极 刻蚀机理刻蚀机理 化学化学 化学化学+少量物理少量物理化学化学+物理物理 物理物理分辨率分辨率(m)2 0.5 0.1 0.1 钻蚀钻蚀 有有 小小 基

27、本无基本无 无无 损伤损伤 无无 小小 中中 大大 选择比选择比 大大 较大较大 中中 小小 刻蚀速率刻蚀速率 中中 快快 很快很快 慢慢 习习 题题 1、在下面的、在下面的 2 种种应应用中，用中，应该应该使用等离子体刻使用等离子体刻蚀设备蚀设备，还还是离子是离子铣铣刻蚀刻蚀设备设备？为为什么？什么？（a）在薄在薄 SiO2 膜上刻蚀较厚的多晶硅层；膜上刻蚀较厚的多晶硅层；（b）在厚）在厚 SiO2 膜上各向异性地刻蚀较薄的多晶硅层。膜上各向异性地刻蚀较薄的多晶硅层。2、用化学、用化学湿法刻蚀硅上的湿法刻蚀硅上的 SiO2 薄膜，试画出在薄膜，试画出在(a)刻蚀刚刻蚀刚好完成；好完成；(b)100%过刻蚀；过刻蚀；(c)200%过刻蚀时的刻蚀图形的边过刻蚀时的刻蚀图形的边缘剖面图。缘剖面图。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！39