1、微/ 纳制造工艺技 术 Microfabrication technology 第 八 讲：干法 刻蚀 乔大勇课程内 容 光刻 一 干法刻 蚀 等 离 子基础 反 应 离子刻蚀 深 度 反应离子 刻蚀 一干法刻 蚀 为什么要进行干法刻蚀 少量 大量 化 学 试剂使用 可接受 高 （ 可批量化 ） 产率 高 低 设备价格 可 接 受，可控 高 ， 不可控 选择性 可 接 受，可控 高，可控 刻蚀速率 可控 同 性 或异性 腐蚀图形 非常小 3微米 腐蚀偏差 干法刻蚀 湿法腐蚀 腐蚀参数干法刻 蚀 为什么要进行干法刻蚀 两 类 腐蚀方法 的比较 腐蚀类别 腐蚀材料 腐蚀试剂 湿法腐蚀 Silico
2、n KOH, TMAH,EDP Silicon Nirtide H 3 PO 4 Silicon Oxide HF Al H 3 PO4 干法刻蚀 Silicon, Polysilicon SF 6 Silicon Nitride CF 4 Silicon Oxide CHF 3 Al Cl 2干法刻 蚀 干法刻蚀包括：光子束刻蚀、中子刻蚀和等离子刻蚀等多 种形式。在半导体技术中，等离子刻蚀是干法刻蚀中最常用的 技术。 等离子体采用射频技术产生，以SF 6 为例，其中包括中性粒 子、电子(e)、活性自由基(F)、带正电的粒子(SF 5 + ) 和带负电 的离子(F - ) 。 其中带正电离子的
3、作用是在暗区电场的加速作用下，实现 对目标的物理轰击，而活性自由基的作用则是吸附在目标表面 上并与目标材料发生化学反应生成挥发性产物。物理轰击能够 促进化学反应的进行，并通过溅射去除淀积在目标表面的反应 副产物。等 离 子基础 宇宙中90物质处于等离子体态，闪电和极光是自然界中的等 离子体。所有的恒星，都是高温等离子体的聚合。所有生命也 起源于等离子体状态。等 离 子基础 等离子体-产生等 离 子基础 等离子体-产生gas Ar e- Ar+ e- Ar+ e- Ar+ Ar Sheath -V+ RF 13.56MHz, 1000W 等 离 子基础 等离子体-产生等 离 子基础 Excita
4、tion(激发） 跃迁 等离子体-产生 e A A e + + * 对于CF 4 ，激发需 要4.0eV 的能量 。其中 ，*符号代表 激发态原 子，激 发态只 能 持 续十亿分 之一秒 到几秒， 就会通 过驰豫 跃迁回基 态等 离 子基础 等离子体-产生 ) ( * Photos h A A + Relaxation( 驰豫) 在 驰 豫的过程 中会发 射光子。 由于不 同原子 或分子的 频率不 同，不同 气体 等 离 子体的颜 色也不 同等 离 子基础 等离子体-产生 Dissociation( 分裂) 对于CF4 ，分裂需要12.5eV的能量。分 裂产生 的自由 分子或原 子比分 裂前更
5、 容 易 发生发应 ，非常 具有活性 ，称为 活性自 由基，是 化学刻 蚀的基础 e B A AB e + + +等 离 子基础 等离子体-产生 Ionization( 电离) 对于CF4 ，电离需要15.5eV的能量。太 阳中心 的电离 率是100， 而在大 多 数 等 离子体设 备中， 电离率都 小于0.001% ， 电离维持了等 离子的 存在。 e A A e 2 + + +等 离 子基础 激发和驰豫过程使得等离子体发光 分裂过程形成了具有化学活性的分子或原子（活性自 由基），是等离子体进行化学刻蚀的基础 电离过程中形成更多的电子和离子，能够维持等离子 体的存在，并借助离子的轰击作用实现
6、物理刻蚀。 等离子体-产生等 离 子基础 SiF 2 是 挥发性的 但不能自 行解吸 附 ， 需要离子 辅助解 吸附 SiF 3 是 不挥发性 的 SiF 4 是 挥发性的 ，可以自 行解吸 附 等离子体-在刻蚀中的作用 特气名称 刻蚀对象 氯基：Cl 2 , BCl 3 Al合金, Ti, TiN, 光刻胶 氟基：SF 4 , CF 4 , CHF 3 W, TiW, SiO 2 , 光刻胶 氧基：O 2 , O 3 , CO 2 , H 2 O 光刻胶 + + + + + + 4 3 4 3 4 4 2 SiF F Si e F CF e CF CF F CF等 离 子基础 等离子体-在刻
7、蚀中的作用 前两个氟原子与 硅形成挥发性的 SF 2 ， 但其不能自 行解吸附而离开 基底表面 第三个氟原子或者促使 SF 2 解吸附离开基底表面 或者与SF 2 结合形成SF 3 不挥发 性物 质 所形成SF 3 直到与第四个氟原子结 合形成挥发性的SF 4 并自行 解吸 附 离开基底表面 1 2 3 4等 离 子基础 硅烷和笑气在等离子氛围下生成二氧化硅，在等离子的辅 助作用下，可以在较低的温度下获得较高的反应速率，这 种反应叫做PECVD(Plasma enhanced CVD) 。 O H SiO O SiH e O N O N e e H SiH SiH e 2 2 2 2 2 2
8、4 3 2 + + + + + + + + 等离子体-在淀积中的作用等 离 子基础 Plasma Ar Pump -V+ RF Ar+ e- 等离子体-等离子电势 V p等 离 子基础 等离子体-自偏压 Plasma Ar Pump -V+ RF Ar + e - V p Target Wafer V DC等离子体-自偏压和极板面积关系 等 离 子基础 4 1 2 = A A V V V P DC P V DC 介于200V 1000V等 离 子基础 等离子体-物理刻蚀 Plasma Ar Pump -V+ RF Ar + e - Wafer Ar +等 离 子基础 等离子体-化学刻蚀 Pla
9、sma Pump -V+ RF O e - Wafer O 2 O O+有机物 =CO+CO 2 +H 2 O等 离 子基础 等离子体-化学钝化 Plasma Pump -V+ RF O e - Wafer O 2 O SF 6 F SiF 4 SiO x F y F等 离 子基础 等离子体-物理刻蚀化学刻蚀 Plasma Pump -V+ RF CF 3 + e - Wafer CF 3 + CF 4 F F 4F+Si=SiF 4反 应 离子刻蚀 反应离子的定义 反应离子刻蚀是指利用能与被刻蚀材料起化学反应的气体， 通过辉光放电使之形成低温等离子体，对基底表面未被掩蔽 部分进行干法刻蚀的工
10、艺，是利用带电离子对基底的物理轰 击与活性自由基与基底的化学反应的双重作用进行刻蚀。 各向同性各向异性 RIE (Reactive Ion Etching) should be IAE (Ion Assistant Etching)反 应 离子刻蚀 刻蚀过程(物理化学)反 应 离子刻蚀 刻蚀过程(淀积刻蚀) 200eV 0 离 子 轰 击 能 量 淀积 刻蚀 1 2 CHF 3 氟/ 碳比模型 （F/C ） 加H 2 加O 2 3 C 2 F 6 4 CF 4 5 C 3 F 8 刻 蚀 淀积分界 线 增 加 反 应 室 压 力 增 强 各 向 异 性 增 强 各向异 性 增加SiO 2 /S
11、i 的选择比反 应 离子刻蚀 刻蚀过程(淀积刻蚀) 采用TEOS热分解制 备的二氧化硅是富碳 型的，被刻蚀二氧化 硅表面在CHF 3 等离子 氛围内容易生长聚合 物，造成RIE草地现 象，它不利于一个干 净工艺层的形成，导 致器件失效，刻蚀对象 典 型 刻蚀气体 每 组 刻蚀气体 特点 二氧化硅 SF 6 , CF 4 /O 2 偏各向同性， 侧向刻 蚀严重， 对硅的 选择性 差 CF 4 /H 2 , CHF 3 /O 2 偏 各 向异性， 对硅有 选择性 CHF 3 /C 4 F 8 /CO 偏 各 向异性， 对氮化 硅选择性 高 氮化硅 CF 4 /O 2 偏各向同性， 对硅的 选择性差
12、 ，对二 氧化硅 的 好 CF 4 /H 2 , 偏各向异性， 对硅的 选择性好 ，对二 氧化硅 的 差 CHF 3 /O 2 偏 各 向异性， 对硅和 二氧化硅 选择性 都好 多晶硅 SF 6 , CF 4 偏各向同性， 侧向刻 蚀严重， 对二氧 化硅的 选 择性差 CF 4 /H 2 , CHF 3 偏 各 向异性， 对二氧 化硅没有 选择性 CF 4 /O 2 偏 各 向同性， 对二氧 化硅选择 性高 刻蚀三种常见薄膜常用气体组合 反 应 离子刻蚀被 刻 蚀对象 反应室 压力(Pa) 反应气体 流量(sccm) 射频 功率(W) 片 台 水冷 温度( ) 刻蚀速率 ( 纳米/分钟) 二氧
13、化硅( 或 磷硅玻璃) 1.6 CHF 3 30 300 20 33 氮化硅 10 CF 4 40 200 20 50 多晶硅 10 SF 6 40 200 20 800 反 应 离子刻蚀 本实验室刻蚀三种常见薄膜常用工艺参数及刻蚀速率反 应 离子刻蚀 反应离子刻蚀工艺存在的问题 两个矛盾 1 、压力和等离子密度之间的矛盾 Less pressure, less collision and better anisotropy, but less plasma density(Low radicals concentration and high ion energy) 2 、射频功率和等离子密
14、度之间的矛盾 Large RF power, higher plasma density but higher bias voltage and higher substrate damage and high contamination RIE的侧向刻蚀无法得到陡直的侧壁，无法实现深刻蚀深 度 反应离子 刻蚀深 度 反应离子 刻蚀 深度反应离子的定义 深度反应离子刻蚀(DRIE, Deep Reactive Ion Etching)又叫高 密度等离子刻蚀 或 感应耦合等离子刻蚀(ICP, Inductively Coupled Plasma) ： 它将等离子的产生和自偏压的产生分别用两个独立
15、的射频 源进行，有效避免了RIE刻蚀中射频功率和等离子密度之间 的矛盾； 它采用刻蚀和钝化交替进行的Bosch工艺以实现对侧壁的保 护，能够实现可控的侧向刻蚀，可以制作出陡直或其它倾斜 角度的侧壁； 它的出现，对MEMS技术的发展是一个巨大的推动 目前著名的ICP厂商为英国的STS 和 法国的Alcatel深 度 反应离子 刻蚀 深度反应离子的定义 垂直侧壁 倒金字塔侧壁深 度 反应离子 刻蚀 Bosch工艺 光刻胶 硅 聚合物深 度 反应离子 刻蚀 C 4 F 8 在等离子氛围内产 生CF 2 活性自由基，CF 2 活性自由基在沟槽侧壁 与底部淀积形成钝化层。 由于自由基是电中性的， 不受到
16、暗区电场的加速， 没有方向性，所以钝化 膜的淀积在沟槽底部和 侧壁都是均匀的 Bosch工艺-钝化原理 反应气体：C 4 F 8 钝化时关闭Platen Power深 度 反应离子 刻蚀 SF 6 在等离子氛围内产生 S x F y 离子和F活性自由基。 S x F y 离子轰击沟槽侧壁 与底部的钝化层 Bosch工艺-刻蚀原理(1) 反应气体：SF 6 /O 2 刻蚀时打开Platen Power深 度 反应离子 刻蚀 由于暗区电场的加速作用， 离子在垂直方向上比在水 平方向上占优，首先将沟 槽底部的钝化膜打穿，而 这时候沟槽侧壁上尚留有 一层厚度小于初始厚度的 钝化膜，此时F自由基与 硅反
17、应生成挥发性产物 SiF x ，实现对沟槽底部的 刻蚀，直至侧壁的钝化膜 消耗完毕再开始新的循环 Bosch工艺-刻蚀原理(2) 反应气体：SF 6 /O 2 刻蚀时打开Platen Power深 度 反应离子 刻蚀 Bosch工艺-刻蚀原理(3) 刻蚀过程中加入氧气的作 用是和反应产物SiFx生成 钝化保护膜淀积在侧壁上 保护侧壁 反应气体：SF 6 /O 2 刻蚀时打开Platen Power + y x F SiO SiF O 4深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-侧壁形貌控制 Positive To optimise: Increase etch platen power Reduce
18、pressure Perfect Trench Bowing To optimize: Reduce etch platen power Reduce pressure深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-若干问题及其解决途径：RIE Lag RIE Lag Reverse RIE Lag深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-若干问题及其解决途径：RIE Lag 增加压力，可增加CF 2 自由基和F自由基的密度，但是降低S x F y 离子的密度，将反应从 对钝化不敏感，对刻蚀敏感 过渡到 对刻蚀不敏感，对钝化敏感 Chen-Kuei Chung, Geometrical pattern effect
19、 on silicon deep etching by an inductively coupled plasma system, J. Micromech. Microeng. 14, 2004 656-662深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-若干问题及其解决途径：RIE Lag “Halo Mask”: 在使用SOI硅片的时 候，可以增加“假结构”到有用结 构之间，假结构象光晕一样包围在 有用结构外面，保证所有的结构都 是等间距的。最后释放结构时，假 结构可以随二氧化硅的腐蚀而脱落， 但是此方法的适用范围较小 R. Khanna, X. Zhang, J. Protz and A. A.
20、Ayn, Microfabrication Protocols for Deep Reactive Ion Etching and Wafer-Level Bonding, SENSORS, Vol. 18, No. 4, pp. 51-60, April 2001. 深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-若干问题及其解决途径：Notching “Notching”的形状类似 于Bowing ，但是发生在 沟槽的开口处而非中间 位置，与离子的二次轰 击无关，至今没有较好 的解决方法。通过增加 钝化气体流量、钝化时 间、降低Platen 功率等 方法缓解深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-若干问题及其
21、解决途径：Undercut( Scalloping)深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-若干问题及其解决途径：Undercut( Scalloping)深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-若干问题及其解决途径：Undercut( Scalloping) A=刻蚀时间 B=钝化时间 R=A/B 保持R不变 等比例减小A 和B 可以减小scalloping深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-若干问题及其解决途径：Charging深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-若干问题及其解决途径：Charging深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-若干问题及其解决途径：Charging深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-
22、若干问题及其解决途径：Charging Che-Heung Kim and Yong-Kweon Kim, Prevention method of a notching caused by surface charging in silicon reactive ion etching, J. Micromech. Microeng. 15, 2005 385-361深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-若干问题及其解决途径：Charging Jongpal Kim1, Sangjun Park, Donghun Kwak et al, Robust SOI process without fo
23、oting and its application to ultra high- performance microgyroscopes, Sensors and Actuators A 114 (2004) 236-243深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-若干问题及其解决途径：Charging By Y. T. Yu, MEMS/NEMS Lab. NWPU Footing in large aspect ratio trench深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-若干问题及其解决途径：Charging By Y. T. Yu, MEMS/NEMS Lab. NWPU Footing in s
24、mall aspect ratio trench深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-若干问题及其解决途径：Charging Liu Haobing and Franck Chollet, Layout Controlled One-Step Dry Etch and Release of MEMS using Deep RIE on SOI Wafer, J. MEMS, 2006, 15(3): 541-547.深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-若干问题及其解决途径：Charging Liu Haobing and Franck Chollet, Layout Controlled One-S
25、tep Dry Etch and Release of MEMS using Deep RIE on SOI Wafer, J. MEMS, 2006, 15(3): 541-547.深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-若干问题及其解决途径：Charging By Y. T. Yu, MEMS/NEMS Lab. NWPU SOI的湿法释放 4min 6min 8min 2min深 度 反应离子 刻蚀 DRIE-若干问题及其解决途径：Charging By Y. T. Yu, MEMS/NEMS Lab. NWPU Lateral stickingOpen for Question 食 物 不咀嚼不 好消化 ， 知 识 不 讨论不 易吸收
