ICP刻蚀原理：气体、功率的选择--ICP操作流程

0VGE/BMFCVGQgasboxVGQICPreactorRFLoadlockMSKVBSKVSKPSTRDRMBAAMPEVKWVBWMDWMFWVBRPTMVVVVSHPWHe必须4英寸放气阀门抽气阀门样品仓最高功率为1000W所能达到的极限是1pa。10-6~10-7。一、电感耦合等离子体（ICP）刻蚀原理3二、刻蚀的基本要求9（负载效应、图形的保真度、均匀性、表面形貌、刻蚀的清洁）三、等离子体刻蚀的基本过程11（物理溅射刻蚀、纯化学刻蚀、离子增强刻蚀、侧壁抑制刻蚀）四、影响刻蚀效果的因素14掩膜的影响、工艺参数的影响（ICPPower源功率、RFPower偏压功率、工作气压气体成分和流量、温度）五、附加气体的影响16六、多种条件刻蚀技术18高速率刻蚀、高选择比刻蚀、特定剖面刻蚀一、电感耦合等离子体（ICP）刻蚀原理包括两套通过自动匹配网络控制的13.56MHz射频电源一套连接缠绕在腔室外的螺线圈，使线圈产生感应耦合的电场，在电场作用下，刻蚀气体辉光放电产生高密度等离子体。功率的大小直接影响等离子体的电离率，从而影响等离子体的密度。第二套射频电源连接在腔室内下方的电极上，此电极为直径205mm的圆形平台，机械手送来的石英盘和样品放在此台上进行刻蚀。实验中刻蚀三五族材料使用的是英国Oxford仪器（Oxfordinstrumentsplasmatechnology）公司的plasma180系统中的plasmalabsystem100型ICP。可以刻蚀GaN、AlGaN、GaAs、InP、InGaAs、InGaP/AlGaInP、InGaAs/InGaAsP等多种化合物材料。ICP功率源平板功率源激光干涉仪端口静电屏蔽水冷却的射频线圈晶片夹/氦气冷却机制苏州纳米所材料ICP功率：0-3000wRF功率：0-1000w压力范围：1-100mT加工范围：6寸工艺气体：Cl2,BCl3,HBr,CH4,He,O2,H2,N2氦气冷却由氦气良好的热传导性，能将芯片上的温度均匀化RIEICP离子密度低（~109~1010/cm3）离子密度高（﹥1011/cm3）（刻蚀速率高）离子密度与离子能量不能分别控制（离子密度大，离子能量也大）离子密度由ICP功率控制，离子能量由RF空滤控制离子能量低，刻蚀速率低在低离子能量下可控离子流量达到高刻蚀速率（形貌控制）低压下刻蚀速率低低压下由于高离子流量从而维持高刻蚀速率DCBias高损伤大低DCBias损伤小1torr=1.333mbarGaN刻蚀ProfileICP操作流程装片1.在Pump界面点击左边Pump图标下Stop，切换至Vent，120s后打开Loadlock2.涂抹真空油脂：根据片子尺寸大小，在托盘上涂抹均匀一层油脂3.放片：放片的时候要用镊子轻轻夹住样片，将样片一边贴在油脂上，慢慢地放下另一边，用镊子按住样片一端，在油脂上稍稍一动样片，以便赶走样片与油脂之间的气泡，使得样片与油脂紧密粘在一起。（注意：如果用力过大，片子可能会碎裂）抽真空1.在Pump界面点击左边Pump图标开启小机械泵，预抽Loadlock，至真空度到-2时可以进行刻蚀操作2.选择所需加热模式：根据样品选择所需加热模式HeaterorChiller(冷却装置)，设定加热或冷却温度。当温度与真空度达到要求后进入Chamber界面刻蚀1.根据要求设定程序，确定工艺参数（气体流量、ICP功率、RF功率、压力、温度、时间等）2.程序运行时，看起辉是否正常，适当修正匹配功率取片刻蚀完毕后，在Pump界面点击左边Pump图标下Stop，切换至Vent，打开Loadlock去真空油脂参照光刻工艺操作规范相的去胶工艺步骤操作。结束后，检测并完成实验记录，移交样品。工艺过程、检测及仪器》刻蚀前的准备要点操作者必须仔细认真阅读操作说明，并明确每个部件在刻蚀系统中的作用；检查水、电、气是否接好，并打开电源，冷却循环水，N2及压缩空气；》检查所刻蚀的样品情况，掩膜厚度光学显微镜-表面洁净度，粗糙度SEM-掩膜形貌，表面粗糙度膜厚仪/台阶仪？光学轮廓仪-掩膜/薄膜厚度》若工作腔室处于真空，须先放气然后再放入刻蚀样品。进入真空室系统的样品或零件，绝对要求外部干净，尤其防止将水和易挥发性的固体或液体带入系统，放好样品后，即可开始抽真空。刻蚀过程密切关注监控系统，程序运行中不稳定情况，记录所有参数（功率，气体流量等）》刻蚀后的检查（1）正面颜色是否异常及刮伤有无缺角及Particle(颗粒)测量台阶高度——台阶仪测量膜厚——膜厚仪剖面形貌——SEM/光学轮廓仪实验中SiO2和SiNx等绝缘膜使用的是英国STS（surfacetechnologysystem）公司的AOE（advancedoxideetcher）型ICP。反应室侧壁装配有永久磁铁，产生的磁场可以降低等离子体在侧壁上的损耗，同时使等离子体更加均匀稳定。反应室侧壁还配备有加热系统和冷却系统。侧壁加热可以使反应室的温度分布更加均匀，从而获得更均匀的等离子体和刻蚀效果。同时，侧壁加热也可以减少聚合物等杂质的附着，防止颗粒玷污，并减少反应室的清洗频率。样品在Loadlock室抽至低真空后，由机械臂传送至反应室。反应结束后再送回Loadlock室。样品进入反应室后使用静电吸盘（ESC）固定，由温控系统对样片温度进行调控，并利用热传导效率很高的He气加快热传导，同时保证样品温度的均匀性。目前常用的样品卡盘有两种设计。一种是机械卡盘，通常使用石英环将衬底压在下电极上，设计比较简单。但是为了保证机械稳定性，压环和衬底必须有相当面积的接触。一方面衬底上的可用面积会减小，另一方面会造成颗粒沾污和交叉污染。另一种就是静电吸盘（ESC）。通过对卡盘下的电极施加电压产生静电荷工作。电极和衬底之间有绝缘介质隔离，衬底的下表面会感应出相反的电荷，把衬底拉向卡盘。ESC的缺点是对衬底下表面的平整度和洁净度要求较高，不能有效吸附时，衬底冷却效果很差，对刻蚀结果会产生不利影响。二、刻蚀的基本要求（1）负载效应刻蚀中还存在负载效应，即发生刻蚀速率变慢的情况。分为宏观负载效应和微观负载效应。刻蚀面积很大时，因为气体传输受限和刻蚀气体耗尽，刻蚀速率会较慢，这称为宏观负载效应。在微细图形的局部区域内，被刻蚀材料的密度过高造成刻蚀气体耗尽的情况称为微观负载效应。（2）图形保真度设横向刻蚀速率为V1，纵向刻蚀速率为V2，通常用A表示刻蚀的各向异性刻蚀的程度，定义如下：时，A=1，表示图形转移中没有失真，刻蚀具有很好的各向异性。时，A=0，图形失真情况严重，刻蚀为各向同性。AspectRatioDependentEtchRateARDEeffectMicroscopicloadingeffect（3）均匀性在材料制备时，薄膜厚度一般有一定的不均匀性，而刻蚀时同一衬底片的不同位置的刻蚀速率也不同。这些都会造成图形转移的不均匀。刻蚀的均匀性在很大程度上依赖于设备的硬件参数，如反应室的设置，气流，离子浓度等均匀性情况。其次是工艺参数的影响。对于大衬底的刻蚀，如果刻蚀时间不够，膜厚处没有刻蚀完全；但是刻蚀时间太长，膜薄处会造成过刻蚀。实际情况中需要综合考虑。也可以在被刻蚀材料的下层制备截止层。截止层选用和被刻蚀材料有很高选择比的材料，这样可以加长刻蚀时间，保证膜厚处被刻蚀干净，膜薄处也不会造成明显的过刻蚀。除了同一样片不同位置的均匀性问题，同一刻蚀条件不同样片的刻蚀均匀性（也称重复性）也很重要。重复性与反应室的状况有很大的关联性。（4）表面形貌一般情况下，刻蚀后的表面形貌都希望侧壁陡直光滑，刻蚀地面平滑。但对于不同的器件有时也有特殊要求，如需倾斜剖面、微透镜结构等。（5）刻蚀的清洁刻蚀中防止玷污是非常重要的。如果在接触孔的位置出现重金属沾污也会造成漏电。对于干法刻蚀，刻蚀表面还会出现聚合物的再淀积。三、等离子体刻蚀的基本过程低压等离子体工艺有四种基本过程可以用于材料的去除，分别是物理溅射刻蚀、纯化学刻蚀、离子增强刻蚀、侧壁抑制刻蚀。（1）物理溅射刻蚀溅射刻蚀利用能量离子对材料表面进行轰击，使原子从材料表面飞溅出去，从而实现去除材料的目的。等离子体可以提供所需的能量离子，典型的离子能量约为几百eV，远大于溅射产生的阈值（约几十eV）。在这个能量范围内，溅射率（每个入射离子溅射出的原子数）随离子能量的增加而快速增大。在离子能量一定的情况下，不同材料的溅射速率相差不大。因此，这个过程的选择性很差。而且溅射是纯物理过程，速率一般比较低，难以达到商业意义的去除材料的速率。但是，离子轰击的方向性很强，这使得溅射刻蚀具有很高的各向异性，可以形成亚微米量级的微细图形。而且，溅射刻蚀是这四种刻蚀过程中唯一可以从表面去除非挥发性产物的挥发性的产物抑制剂过程。在用其他工艺过程刻蚀时，利用溅射去除含量较少的难挥发性成分是很重要的。（2）纯化学刻蚀在纯化学刻蚀过程中，等离子体只提供气相的刻蚀粒子（多为中性活性基），这些活性粒子和材料表面发生化学反应生成气相产物。如人们很早就开始使用氟原子刻蚀硅，生成易挥发的SiF4。化学刻蚀几乎是各向同性的，因为气相刻蚀粒子是以近似均匀的角分布到达衬底表面的。这个刻蚀过程中，刻蚀产物必须具有挥发性。通常情况下，等离子体中达到衬底表面的刻蚀粒子通量可以很大，因此化学刻蚀可以获得非常高的刻蚀速率。而且，这个过程具有很高的选择比。（3）离子增强刻蚀离子增强刻蚀是物理溅射刻蚀和化学刻蚀相结合的工艺过程。离子轰击作用的辅助大大增强了衬底表面的化学反应活性，提高了反应生成物的挥发性，刻蚀效果有明显改善。等离子体既产生刻蚀粒子，又提供能量离子。刻蚀粒子和能量离子结合刻蚀的效果比单纯一种的刻蚀效果好得多。图清楚的表明离子增强刻蚀的优势。只使用刻蚀气体XeF2的化学刻蚀速率和只使用Ar+离子的物理轰击速率都相当低。两者结合后，刻蚀塑料布增加了近十倍。在这个工艺过程中，离子刻蚀时通过物理过程增强反应效果，与离子的化学反应无关。和化学刻蚀相同，这个工艺过程的刻蚀产物也必须具有挥发性。因为能量离子轰击衬底时具有高方向性，这种刻蚀的各向异性也很好。但能量离子增强刻蚀的选择性比纯化学刻蚀低。RIE就是这种能量离子增强刻蚀工艺。（4）侧壁抑制刻蚀侧壁抑制刻蚀需要在刻蚀中使用能形成阻挡层的粒子，即等离子体同时提供刻蚀粒子、能量离子和形成阻挡层的先驱物粒子。这些先驱物粒子被吸附到衬底表面形成阻挡层（聚合物薄膜）。刻蚀粒子通常选用对衬底有很高化学刻蚀速率的粒子。离子轰击可以防止阻挡层的形成或在阻挡层形成后将之清除掉，使衬底表面暴露出来。阻挡层在离子轰击较弱的地方（如侧壁）保护表面不被刻蚀。常用的阻挡层先驱物粒子包括CF2、CF3、CCl2等，可以形成碳氟或碳氯聚合物薄膜。这种刻蚀工艺可以得到具有垂直侧壁的高度各向异性的刻蚀结果。如刻蚀深度达到几百微米的深硅刻蚀主要就是利用刻蚀过程（Bosch工艺）。使用SF6作为刻蚀气体，C4F8作为钝化抑制气体，刻蚀和钝化过程交替进行，实现侧壁垂直的深硅刻蚀。四、影响刻蚀效果的因素ICP工艺中影响刻蚀效果的因素很多。工艺参数里包括源功率、偏压功率、刻蚀气体及流量、工作气压和温度等。此外，掩膜的制备和反应室内壁的情况对刻蚀结果也有很重要的影响。1.掩膜的影响ICP刻蚀是图形转移的过程，因此掩膜的制备对刻蚀非常重要。最常见的掩膜是光刻胶（Photoresist,PR）、SiO2和金属（如Al、Ni等）。一个好的掩膜要求陡直度较高，边缘光滑，底部去除干净无残留，抗高温和抗轰击能力强。掩膜的陡直度和边缘的光滑程度直接影响刻蚀剖面的陡直度和侧壁的光滑程度。虽然可以通过工艺参数的调整改善刻蚀形貌，但是效果远不如掩膜质量的改善。因此高质量的光刻技术对刻蚀非常重要。（1）几乎所有的掩膜制备都需要由光刻制备，光刻胶掩膜的制备最容易，精度也最高。但是，光刻胶的抗高温和抗轰击能力很差，只能用于低温工艺，通常选择比也较低。对于光刻胶掩膜，一般在显影后需要经历一个高温处理的过程，称为坚膜。坚膜可以去除光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶和衬底