等离子体刻蚀

等离子体刻蚀潘华勇1）介绍等离子体刻蚀在刻蚀方法中的位置2）刻蚀参数3）刻蚀的微观机理4）具体的仪器原理介绍（RIE、ICP和ECR）5）具体实验参数对刻蚀的影响6）本实验室刻蚀仪器的介绍（TRIONTECHNOLOGYMINILOCKIIIICP）（1）外观，结构，实验参数，一些材料的刻蚀工艺参数，厂家提供的一些刻蚀材料的情况；（2）实验步骤；7）作业8)参考文献干法刻蚀的一般用途：光刻后的图形转移，器件的剥离等，湿法刻蚀无法完成的各向异性刻蚀。等离子体刻蚀在刻蚀方法中的位置1.干法刻蚀的定义：除湿法以外的刻蚀方法。湿法是指使用液体物质刻蚀目标。狭义的干法：等离子放电产生的物理和化学过程对材料的加工；广义的干法：除湿法以外的刻蚀方法，如等离子刻蚀、激光加工、火花放电加工、化学蒸汽加工以及喷粉加工等。图形转移过程2）刻蚀参数刻蚀速率、刻蚀剖面、刻蚀偏差、选择比、均匀性、残留物、聚合物、等离子体诱导损伤、颗粒污染。刻蚀剖面选择比均匀性是一种衡量刻蚀工艺在整个硅片上，或整个一批，或批与批之间刻蚀能力的参数。如微负载效应。残留物是刻蚀后留在硅片表面不想要的材料。聚合物包括刻蚀剂和反应的生成物。等离子体诱导损伤包括带能离子、电子和激发的等离子体可引起对硅片上的敏感器件引起等离子体诱导损伤。颗粒污染等离子体在硅片表面附近产生的颗粒。3）刻蚀的微观机理刻蚀（中文字面的意思：刻，物理的作用，用刀刻（宏观上），用有粒子动量(力)去撞（微观上），F=dP/dt,P=mu;蚀，化学的作用，腐蚀物体（宏观上），被激活的分子或原子和目标物质的分子发生反应，异化掉该物质（微观上）。刻蚀具体的微观过程：物理的过程加速离子撞击固体表面发生各种过程，如溅射，物质沉积和离子注入（跟离子的动能有关）等，跟刻蚀有关的过程：离子的溅射作用、吸附气体的放出和吸附气体的分解放出等。此过程具有各向异性。化学的过程1具有化学活性的分子或原子从源头，到达刻蚀的表面，2和表面物质的分子发生反应，生成反应物分子，3离开表面，4气流带走离开刻蚀物体。此过程具有各向同性。物理加化学的过程离子的溅射和解吸附的物理特性加上化学反应特性，刻蚀速度大于单一的任何的单一过程。4）具体的仪器原理介绍（RIE、ICP和ECR）根据使用离子的物理和化学的作用，可分为反应离子刻蚀（reactiveionetch）（物理和化学作用）、离子溅射刻蚀(物理作用)。根据产生等离子体的方式又分为ICP感性耦合等离子体（inductivelycoupledplasma）,CCP容性耦合等离子体（capacitivelycoupledplasma）,ECR微波电子回旋共振等离子体（microwaveelectroncyclotronresonance）。等离子放电刻蚀技术分类RIE（反应离子刻蚀）利用反应气体离子在电场中的定向运动的刻蚀。原理图如下把平板型的反应室的样品电极接射频RF，反应器壁接地。系统的电位分布如图等离子体的产生使用高频电场加到反应气体上，使气体电离，形成等离子体。使用射频13.56MHz高频电场；等离子体的内部是电中性的，在边界处（离反应室的器壁一定距离）电中性被打破，电子的运动速度比离子的快(假设系统达到热平衡，KTi=KTe,KT=1/2mu2,u—m-1/2),到达器壁，在器壁上形成负电富集区，正离子在边界处富集，形成等离子鞘电压。鞘电压有加速离子撞击基片的作用。电荷分离产生的电场中等离子的电位Vp，Vp的数值约为使用射频电压峰值的一半，等离子体对地的电位约为10v。ICP（感性耦合等离子体刻蚀）ICP感性耦合等离子体（inductivelycoupledplasma）提高刻蚀速率(要求提高等离子密度)，传统的二极平板系统随着射频功率的提高，样品电极的自偏压也提高，离子轰击样品的能量也增加，使刻蚀的选择比下降。解决方法把等离子的产生区与刻蚀区分开，如下图;ICPMatchingNetworkRIEMatchingNetworkHeliumCoolantInletVacuumPortChuckProcessGasInletChamberBlockViewPortWindowICPCeramicTubeandCoilFigure2.-OverallProcessChamberw/ICP电感耦合产生的电磁场可以长时间维持等离子体区内电子的回旋运动，大大增加了电离几率。另一方面，样品基板是独立输入射频功率，所产生的自偏压可以独立控制。Icp既可以产生很高的等离子体密度，又可以维持较低的离子轰击能量，解决了高刻蚀速率和高选择比两个原来互相矛盾。RIEPlatenPowerPlasmaDensityICPRIEIonDensityversusCoilPower02550751001251501752000100200300400500600CoilPower(W)IonDensityIonDensity(x1010/cm3)versuscoilpower.Probeislocatedatthecentreofthechamber.Pressure=5mTorr,Bias=100VECR微波电子回旋共振等离子体刻蚀）微波功率通过波导由系统的顶部输入到谐振腔体，电子在谐振腔内随微波的谐振而产生共振，并在腔体外磁场的作用下回旋。具有和ICP一样的优点。ECR的缺点结构复杂，需要微波功率源、微波谐振与样品基板射频源的匹配问题。ComparisonofPlasmaSourceTechnologyRIEECRICPFrequency0.4-13.56MHz2.45GHz0.4-13.56MHzPressure(mTorr)1001.05.0PlasmaDensity(cm-3)10105x10115x1011IonCurrentDensity(mA/cm2)0.11010MagneticFieldNone1-2kGandoptionalMPBOptionalMPBOperationalWindowLargeLimitedLargeSourceComplexityLowHighLowPB:magneticpileupboundary.它是一个选项,即在腔室外壁有多组永久磁体,其产生的磁场约束等离子只能向下运动,使得等离子密度向下运动时无损耗,该选项通常用于深槽刻蚀,如50um以上的Si刻蚀,本实验室的ICP机器只用于浅槽的刻蚀,没有此配置.硅的高深宽比刻蚀成为可能的工艺的两个技术，一个是ICP，另一个是“Bosch”工艺。Bosch工艺就是在反应离子刻蚀过程中不断在边壁上沉积抗刻蚀层，或边壁钝化（sidewallpassivation）。刻蚀气体是SF6，钝化气体为C4F8，C4F8在等离子体中能够形成氟化碳类高分子聚合物，它沉积在硅表面能够阻止氟离子与硅反应。刻蚀与钝化5-15s转换一个周期。各向同性刻蚀通过离子轰击去除底部钝化各向同性刻蚀最后形成的刻蚀剖面侧壁钝化“Bosch”工艺过程Bosch工艺就是在反应离子刻蚀过程中不断在边壁上沉积抗刻蚀层，或边壁钝化（sidewallpassivation）。刻蚀气体是SF6，钝化气体为C4F8，C4F8在等离子体中能够形成氟化碳类高分子聚合物，它沉积在硅表面能够阻止氟离子与硅反应。刻蚀与钝化5-15s转换一个周期。各向同性刻蚀通过离子轰击去除底部钝化各向同性刻蚀最后形成的刻蚀剖面侧壁钝化“Bosch”工艺过程Bosch工艺就是在反应离子刻蚀过程中不断在边壁上沉积抗刻蚀层，或边壁钝化（sidewallpassivation）。刻蚀气体是SF6，钝化气体为C4F8，C4F8在等离子体中能够形成氟化碳类高分子聚合物，它沉积在硅表面能够阻止氟离子与硅反应。刻蚀与钝化5-15s转换一个周期。各向同性刻蚀通过离子轰击去除底部钝化各向同性刻蚀最后形成的刻蚀剖面侧壁钝化“Bosch”工艺过程5）具体实验参数对刻蚀的影响1气体压力（腔室压力）等离子体刻蚀一般工作在10-3torr（1mTorr）范围的低气压条件下。1）在低气压下，分子密度降低，电子自由程增加，电子加速的能量大，电离几率增大。2）另个好处是离子之间、离子与原子之间的碰撞减少，离子对材料表面刻蚀的方向性改善，刻蚀的各向异性增强。3）低气压有利于挥发物离开刻蚀表面，增加反应速率，从而增加刻蚀速率。高气压下，分子密度提高，离子自由程降低，化学活性分子数目增加，则化学反应刻蚀占主导地位，刻蚀趋于各向同性。2放电功率RIE射频功率增加输入功率刻蚀速率上升。在恒定的气压下，加到等离子体中的功率增加，更多的气体分子处于激发态，即活性基增加，同时电离加强，等离子体密度增加；随着功率的上升，等离子体鞘的电势增加，增强了离子的定向轰击能力；这些都利于刻蚀速率的上升。缺点是各向异性虽然增强了，但离子轰击会增加掩膜的损失，降低了掩膜的抗刻蚀比。ICP射频功率增加输入功率刻蚀速率上升。ICP射频源加在在腔室的上部，同样提高了加到等离子体中的功率增加，更多的气体分子处于激发态，即活性基增加，同时电离加强，等离子体密度增加，但对离子的定向加速没有直接的贡献。需要增加各向同性，减少各向同性时，须降低RIERF射频功率，增加ICP射频功率。3气体流量功率不变，压力恒定的情况下，流量太小，反应刻蚀需要的活性物不够，刻蚀较慢；当达到需要量时，反应速度趋于不变；过多时，影响分子和电子的平均白白程，减低刻蚀速度。4样品材料表面温度反应离子刻蚀的材料表面因离子轰击会自然升温，材料表面温度可达到100-200°C。温度升高会导致作为掩膜材料的光刻胶软化变形，并且光刻胶刻蚀速率也回增加；温度升高的另一个效应是横向刻蚀速率增加（因为化学反应刻蚀本身是各向同性的）。5负载效应（loadingeffect）是指因刻蚀面积的变化而导致的刻蚀均匀性的变化。1刻蚀面积-------活性气体离子量；2局部负载或微负载效应（microloadingeffect）是指在同一样品上因为掩膜暴露面积不同而导致的刻蚀速率不同。如大面积图形的刻蚀速率大于小面积图形的刻蚀速率。这种效应在深刻蚀时尤其明显。6电极材料电极包括阴极和阳极。要求阴极材料是化学惰性的，否则被刻蚀，消耗反应物质，影响样品的刻蚀速率。阳极与侧壁在离子的溅射下不会形成挥发性产物，而是将溅射产物再沉积到其他表面，包括样品材料表面，影响样品的进一步刻蚀。即使材料本身是化学惰性的，样品材料在刻蚀过程中也会因物理溅射，尤其是掩膜材料的溅射，将溅射物沉积到阳极或反应室腔体内部。把这种环境带给下一次实验，“记忆效应”。为了尽量减少这种“交叉污染”，应尽量避免同一刻蚀系统刻蚀多种不同材料，或者要求在每一次新的刻蚀前对反应室腔体进行等离子体“清洁”，即在未放样品前用氧气或氩气对腔室体预刻蚀一段时间。6）本实验室刻蚀仪器的介绍（TRIONTECHNOLOGYMINILOCKIIIICP）外貌，1.主体（反应室和预抽室），外围（真空泵（机械泵，干泵）水箱，气路，尾气处理等）总体框图反应室结构图工艺条件：实验的气体种类及最大流量单位Sccm（SccmstandsforStandardCubicCentimetersperMinute.WhereStandardmeansreferencedto0degreesCelsiusand760Torr）.：N2=200Sccm;BCl3=89;O2=98;Cl2=43;（Ar或He）=140;CF4=84;SF6=53.实验参数的设定范围，射频最大功率ICPRF(w)1250w;RIERF600w；，腔室最小压力1mTorr，一般稳定为10-15mTorr；基片温度（下电极水温-40°---+200°+-0.01°）基片架大小为4Inch。说明书列举的工艺单如下：SiliconNitride–Si3N4RIEPower100watts，I