刻蝕技術(shù)

刻蝕，英文為Etch，它是半導(dǎo)體制造工藝，微電子IC制造工藝以及微納制造工藝中的一種相當(dāng)重要的步驟。是與光刻 [1] 相聯(lián)系的圖形化(pattern)處理的一種主要工藝。所謂刻蝕，實(shí)際上狹義理解就是光刻腐蝕，先通過光刻將光刻膠進(jìn)行光刻曝光處理，然后通過其它方式實(shí)現(xiàn)腐蝕處理掉所需除去的部分?？涛g是用化學(xué)或物理方法有選擇地從硅片表面去除不需要的材料的過程，其基本目標(biāo)是在涂膠的硅片上正確地復(fù)制掩模圖形。隨著微制造工藝的發(fā)展，廣義上來講，刻蝕成了通過溶液、反應(yīng)離子或其它機(jī)械方式來剝離、去除材料的一種統(tǒng)稱，成為微加工制造的一種普適叫法。

刻蝕最簡(jiǎn)單最常用分類是：干法刻蝕和濕法刻蝕。顯而易見，它們的區(qū)別就在于濕法使用溶劑或溶液來進(jìn)行刻蝕。濕法刻蝕是一個(gè)純粹的化學(xué)反應(yīng)過程，是指利用溶液與預(yù)刻蝕材料之間的化學(xué)反應(yīng)來去除未被掩蔽膜材料掩蔽的部分而達(dá)到刻蝕目的。其特點(diǎn)是：濕法刻蝕在半導(dǎo)體工藝中有著廣泛應(yīng)用：磨片、拋光、清洗、腐蝕優(yōu)點(diǎn)是選擇性好、重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低缺點(diǎn)是：鉆刻嚴(yán)重、對(duì)圖形的控制性較差，不能用于小的特征尺寸;會(huì)產(chǎn)生大量的化學(xué)廢液干法刻蝕種類很多，包括光揮發(fā)、氣相腐蝕、等離子體腐蝕等。按照被刻蝕的材料類型來劃分，干法刻蝕主要分成三種：金屬刻蝕、介質(zhì)刻蝕和硅刻蝕 [2] 。介質(zhì)刻蝕是用于介質(zhì)材料的刻蝕，如二氧化硅。干法刻蝕優(yōu)點(diǎn)是：各向異性好，選擇比高，可控性、靈活性、重復(fù)性好，細(xì)線條操作安全，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，無化學(xué)廢液，處理過程未引入污染，潔凈度高。缺點(diǎn)是：成本高，設(shè)備復(fù)雜。干法刻蝕主要形式有純化學(xué)過程(如屏蔽式，下游式，桶式)，純物理過程(如離子銑)，物理化學(xué)過程，常用的有反應(yīng)離子刻蝕RIE，離子束輔助自由基刻蝕ICP等 [3] 。干法刻蝕方式很多，一般有：濺射與離子束銑蝕， 等離子刻蝕(Plasma Etching)，高壓等離子刻蝕，高密度等離子體(HDP)刻蝕，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)。另外，化學(xué)機(jī)械拋光CMP，剝離技術(shù)等等也可看成是廣義刻蝕的一些技術(shù)。有圖形的光刻膠層在刻蝕中不受到腐蝕源顯著的侵蝕，這層掩蔽膜用來在刻蝕中保護(hù)硅片上的特殊區(qū)域而選擇性地刻蝕掉未被光刻膠保護(hù)地區(qū)域

刻蝕還可分為濕法刻蝕和干法刻蝕?？涛g的機(jī)制，按發(fā)生順序可概分為「反應(yīng)物接近表面」、「表面氧化」、「表面反應(yīng)」、「生成物離開表面」等過程。所以整個(gè)刻蝕，包含反應(yīng)物接近、生成物離開的擴(kuò)散效應(yīng)，以及化學(xué)反應(yīng)兩部份。整個(gè)刻蝕的時(shí)間，等于是擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)兩部份所費(fèi)時(shí)間的總和。二者之中孰者費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，整個(gè)刻蝕之快慢也卡在該者，故有所謂「reaction limited」與「diffusion limited」兩類刻蝕之分。

濕刻蝕最普遍、也是設(shè)備成本最低的刻蝕方法。其影響被刻蝕物之刻蝕速率 (etching rate) 的因素有三：刻蝕液濃度、刻蝕液溫度、及攪拌 (stirring) 之有無。定性而言，增加刻蝕溫度與加入攪拌，均能有效提高刻蝕速率;但濃度之影響則較不明確。舉例來說，以49%的HF刻蝕SiO2，當(dāng)然比BOE (Buffered-Oxide- Etch;HF：NH4F =1：6) 快的多;但40%的KOH刻蝕Si的速率卻比20%KOH慢! 濕刻蝕的配方選用是一項(xiàng)化學(xué)的專業(yè)，對(duì)于一般不是這方面的研究人員，必須向該化學(xué)專業(yè)的同儕請(qǐng)教。一個(gè)選用濕刻蝕配方的重要觀念是「選擇性」(selectivity)，意指進(jìn)行刻蝕時(shí)，對(duì)被蝕物去除速度與連帶對(duì)其他材質(zhì) (如刻蝕掩膜;etching mask， 或承載被加工薄膜之基板;substrate ) 的腐蝕速度之比值。一個(gè)具有高選擇性的刻蝕系統(tǒng)，應(yīng)該只對(duì)被加工薄膜有腐蝕作用，而不傷及一旁之刻蝕掩膜或其下的基板材料。(1)等向性刻蝕 (isotropic etching)大部份的濕刻蝕液均是等向性，換言之，對(duì)刻蝕接觸點(diǎn)之任何方向腐蝕速度并無明顯差異。故一旦定義好刻蝕掩膜的圖案，暴露出來的區(qū)域，便是往下腐蝕的所在;只要刻蝕配方具高選擇性，便應(yīng)當(dāng)止于所該止之深度。然而有鑒于任何被蝕薄膜皆有其厚度，當(dāng)其被蝕出某深度時(shí)，刻蝕掩膜圖案邊緣的部位漸與刻蝕液接觸，故刻蝕液也開始對(duì)刻蝕掩膜圖案邊緣的底部，進(jìn)行蝕掏，這就是所謂的下切或側(cè)向侵蝕現(xiàn)象 (undercut)。該現(xiàn)象造成的圖案?jìng)?cè)向誤差與被蝕薄膜厚度同數(shù)量級(jí)，換言之，濕刻蝕技術(shù)因之而無法應(yīng)用在類似「次微米」線寬的精密制程技術(shù)!(2)非等向性刻蝕 (anisotropic etching)先前提到之濕刻蝕「選擇性」觀念，是以不同材料之受蝕快慢程度來說明。然而自1970年代起，在諸如Journal of Electro-Chemical Society等期刊中，發(fā)表了許多有關(guān)堿性或有機(jī)溶液腐蝕單晶硅的文章，其特點(diǎn)是不同的硅晶面腐蝕速率相差極大，尤其是<111>方向，足足比<100>或是<110>方向的腐蝕速率小一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)!因此，腐蝕速率最慢的晶面，往往便是腐蝕后留下的特定面。這部份將在體型微細(xì)加工時(shí)再詳述。

干刻蝕干刻蝕是一類較新型，但迅速為半導(dǎo)體工業(yè)所采用的技術(shù)。其利用電漿 (plasma) 來進(jìn)行半導(dǎo)體薄膜材料的刻蝕加工。其中電漿必須在真空度約10至0.001 Torr 的環(huán)境下，才有可能被激發(fā)出來;而干刻蝕采用的氣體，或轟擊質(zhì)量頗巨，或化學(xué)活性極高，均能達(dá)成刻蝕的目的。干刻蝕基本上包括「離子轟擊」(ion-bombardment)與「化學(xué)反應(yīng)」(chemical reaction) 兩部份刻蝕機(jī)制。偏「離子轟擊」效應(yīng)者使用氬氣(argon)，加工出來之邊緣側(cè)向侵蝕現(xiàn)象極微。而偏「化學(xué)反應(yīng)」效應(yīng)者則采氟系或氯系氣體(如四氟化碳CF4)，經(jīng)激發(fā)出來的電漿，即帶有氟或氯之離子團(tuán)，可快速與芯片表面材質(zhì)反應(yīng)。干刻蝕法可直接利用光阻作刻蝕之阻絕遮幕，不必另行成長(zhǎng)阻絕遮幕之半導(dǎo)體材料。而其最重要的優(yōu)點(diǎn)，能兼顧邊緣側(cè)向侵蝕現(xiàn)象極微與高刻蝕率兩種優(yōu)點(diǎn)，換言之，本技術(shù)中所謂「活性離子刻蝕」(reactive ion etch;RIE) 已足敷「次微米」線寬制程技術(shù)的要求，而正被大量使用中。