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1、1,图1 沉积法与刻蚀法图形转移技术 (a)沉积过程 (b) 去除光刻胶后图形 (c)刻蚀过程 (d) 去除光刻胶后图形,2,刻蚀法图像转移技术,第八章,Etching method for image transfer technology,3,目 录,8.1 引 言 8.2 化学湿法腐蚀技术 8.3 反应离子刻蚀 8.4 反应离子深刻蚀 8.5 等离子体刻蚀 8.6 离子溅射刻蚀 8.7 反应气体刻蚀 8.8 其他物理刻蚀技术,4,刻蚀：利用化学或物理方法将未受光刻胶保护部分的材料 从表面逐层清除 刻蚀的两个基本参数：一是掩模的抗刻蚀比（selectivity) 二是刻蚀的方向性（dire
2、ctionary)，或各向异性度(anisotropy） 高抗刻蚀比：掩模本身的损失很少，能够经受的住长时间的刻蚀 刻蚀的各向异性度：在衬底不同方向刻蚀速率的比。如果刻蚀在各个方向的速率相同，则刻蚀是各向同性的；如果刻蚀在某一方向最大而在其他方向最小，则刻蚀是各向异性的；介于两者之间是部分各向异性刻蚀,8.1 引 言,6,化学湿法刻蚀技术：所谓湿法泛指所用应用化学腐蚀液体 的腐蚀方法 显著特点：各向同性腐蚀，图形横向与纵向的腐蚀速率相同。但是某些腐蚀液对硅的不同晶面有不同的腐蚀速率，会形成各向异性腐蚀 应用：各向同性腐蚀图形不可能有很高的图形分辨率，主要应用硅的表面清洗工艺，而不是一种图形转移
3、技术。凡需高分辨率的图形转移的工艺过程均以干法刻蚀为主,8.2 化学湿法腐蚀技术,7,应用热点：主要在微机电系统与微流体器件制造领域，由于这些机构尺寸比集成电路结构尺寸大得多，化学湿法刻蚀能够满足要求，且成本大大低于干法刻蚀 主要腐蚀材料：硅和二氧化硅是微机械和微流体系使用最广泛的材料，也是半导体工业的基础材料，各种化学湿法主要以腐蚀这两种材料为主,8,8.2.2 硅的各向异性腐蚀,沿任意两个晶格点的连线的方向称为晶向，垂直于晶向矢量的彼此平行的平面为晶面。晶面指数以hkl来表示，晶面指数以（hkl)表示。某一hkl晶向代表垂直于某一(hkl)晶面的法向矢量 某些碱类化学腐蚀液对硅的腐蚀与硅的
4、晶面原子排列情况有关，因此不同晶面方向的腐蚀速率有相当大的差异。以常见的（100）、（110）和（111）晶面为例，他们在氢氧化钾（KOH）中的腐蚀速率之比为（110）：（100）：（111）=400:200:1，由于晶面的夹角不同，这种依赖于晶面的腐蚀速率差异将会造成不同的腐蚀剖面结构 以100晶向的硅为例，从100方向腐蚀所得到的剖面不是垂直的，而是成54.74，这是因为111晶向与100晶向夹角为54.74，111方向的腐蚀速率远远低于100方向高,9,图 8-2-1 单晶硅的3个晶格取向与晶面原子分布,10,图 8-2-2 100晶向的各向异性腐蚀剖面,11,碱类腐蚀液对硅的各向异性腐
5、蚀使控制掩模图形变得格外困难，因为最终腐蚀的图形不一定是初始的设计图形。对于（100）晶面的硅片，有4个（111）面与（100）面相交呈54.74夹角，且这4个（111）面彼此垂直。因此用一个矩形掩模腐蚀总是可以得到一个矩形开口，尽管矩形槽的边壁不是垂直的，如果掩模图形的边缘不与晶面重合，则腐蚀所得到的图形会偏离原来的掩模的图形 腐蚀(100）晶面硅片上的一个十字形掩模，随着腐蚀时间的增加，腐蚀结构越来越偏离原来的掩模图形,12,图 8-2-3 由十字形掩模得到的（100）硅片腐蚀结构,13,由各向异性腐蚀方法制作凸形结构时通常无法获得尖角，内角随着腐蚀时间的增加完全消失。为了获得尖角，要对腐
6、蚀掩模的图形加以补偿，即留出充分的腐蚀余量 方形掩模设计，其中一个角增加了补偿结构，由该掩模得到的腐蚀结构，该结果清楚地显示了只有补偿过的角保留下来，其余没有做过补偿的角都因过腐蚀而变钝,14,图 8-2-4 掩模图形补偿技术,15,由于单晶硅湿法腐蚀的晶向依赖性，使掩模与晶向的对准变得十分重要。对准不好，腐蚀沟道的走向就不会沿着掩模设计的走向方向发展，而是沿着晶向的方向发展 硅片的表面为（110）面，矩形掩模的长轴方向成3个不同的角度，所腐蚀形成的图形也呈3个不同的角度，所腐蚀形成的图形也呈3中不同的剖面结构。值得注意的是，当矩形掩模的长轴方向转角35.2时，沿长轴边缘腐蚀的边壁是垂直的，并
7、且掩模开口与边缘完全吻合,16,图 8-2-5 在（110）晶面上不同掩模方向形成的腐蚀结构比较,17,为了得到掩模与晶向的良好对准，首要问题是要预先知道硅片的晶面。一般购买到的商业硅片有两种晶面：（100）晶面和(111)晶面硅片，它们又分为n型掺杂和p型掺杂。（100）晶面的硅片表示（100）晶面垂直于硅片表面，而（110）晶面则平行于硅片表面磨口方向。除了依赖商业标识方法外，还可以通过实验测量晶向，方法是按角度分布在硅片上刻蚀一系列沟槽，找出其中与硅片晶面吻合的沟槽方向作为进一步掩模对准的方向。用这种方法可以使掩模与晶面错位小于0.01,18,图 8-2-6 判别硅片晶面与掺杂种类的标志
8、,19,实现单晶硅的各向异性腐蚀必须用碱类化学腐蚀液。常用的碱液包括氢氧化钾（KOH）、EDP和TMAH，其中KOH最为普遍，KOH的腐蚀速率与KOH的浓度和温度有关，KOH的腐蚀速率在20%左右浓度时达到最大值，温度越高，腐蚀速率越高 化学湿法腐蚀硅通常需要腐蚀较深的深度，所以湿法腐蚀硅技术通常又称为硅的体微加工技术，以区别常用的面微加工技术。例如在硅表面先沉积一层支撑薄膜，例如氧化硅或氮化硅层。通过光刻和金属溶脱剥离或刻蚀工艺制作出所需要的微结构。然后将微结构下面的硅衬底全部腐蚀清除，最后形成仅由薄膜支撑的微结构 另一种化学腐蚀液EDP对二氧化硅的腐蚀速率很低，一般比KOH低100倍。如果
9、用二氧化硅做掩模，则可以用EDP做腐蚀液，EDP还有一个特点是对硅的掺杂浓度特别敏感,20,图 8-2-7 KOH在(100)晶面的腐蚀效率,图 8-2-8 用硅体微加工制作薄膜支撑框架的结构,21,另一种硅的腐蚀液是TMAH，TMAH本身是光刻胶的一种显影液，也广泛用于硅的腐蚀液。TMAH对二氧化硅的腐蚀速率低，而不像EDP那样有毒性，TMAH腐蚀表面的光滑度要比KOH腐蚀表面好10倍，是湿法腐蚀硅纳米结构的最佳碱性腐蚀液。TMAH还有一个优点是它不含碱金属离子，可以安全地用于集成电路制造的工艺环境,22,腐蚀液体：各化学湿法刻蚀本质上讲是向同性腐蚀，只有碱性溶液对单晶硅才有各向异性腐蚀的特
10、性，而酸对硅的腐蚀是各向同性的。最常用的是氢氟酸（HF）、硝酸（ HNO3 ）与醋酸（acetic acid),通常称为HNA 腐蚀机理：一般认为硝酸使硅表面氧化，然后氢氟酸将氧化部分的硅溶解，醋酸在这里主要起稀释作用，也可以用水代替醋酸作为稀释液 3Si+4HNO33SiO2+4NO+2H20 SiO2+6HFH2SiF6+2H20,8.2.2 硅的各向同性腐蚀,23,腐蚀速率：HNA对硅的腐蚀速率取决于这3种酸的混合比例，下图是三种酸的浓度比与腐蚀速率的关系，显然，有两份氢氟酸与一份硝酸加少许醋酸形成的腐蚀液具有最大的腐蚀速率（240 mmin),24,图 8-2-9 HNA浓度比与腐蚀速
11、率的关系,25,腐蚀液配比：下表中给出了HNA中三种酸的配比与相应的腐蚀速率，其中HF(49%)、 HNO3（70%）、醋酸（100%）为标准商品酸,表 8-2-1 硅腐蚀液的配方与腐蚀速率,26,掩模选择：,氢氟酸对二氧化硅有很强的腐蚀作用，即使在HNA中其腐蚀速率也在3080nmmin，因此二氧化硅不适合作为腐蚀掩模层，除非硅的腐蚀深度要求不高 光刻胶承受不了像硝酸这样的强氧化剂作用，也不适于做HNA的腐蚀掩模 LPCVD形成的氮化硅薄膜在HNA中的腐蚀速率在80nmmin以下，是最好的掩模材料，另外可以用铬模或金模作为掩模,27,液体流动性：化学湿法腐蚀的一个主要问题是腐蚀速率与液体流动
12、程度有关，在腐蚀工程中充分搅拌与无搅拌所得到的腐蚀结构会很不一样，使精确控制腐蚀剖面变得很困难,图 8-2-10 搅拌腐蚀液对腐蚀剖面的影响,28,二氧化硅：集成电路中制造中，二氧化硅普遍用来作绝缘膜和钝化膜，在微系统技术中用来最绝缘膜之外还用来作为牺牲层材料。例如在二氧化硅上沉积一层多晶硅，用化学方法腐蚀二氧化硅，使多晶硅结构局部悬空，形成可移动部件 腐蚀溶液：以氢氟酸为主，未稀释的氢氟酸(49%质量分数）的腐蚀速率可达到1.8 mmin，通常使用加缓冲剂的氢氟酸，缓冲腐蚀剂是由7份氟氨酸NH4F（40%质量分数）与一份氢氟酸HF（49%质量分数）混合而成。LPCVD二氧化硅的腐蚀速率可达7
13、0nm min，缓冲剂比例越高，二氧化硅腐蚀速率越低,8.2.3 二氧化硅的各向同性腐蚀,29,图 8-2-11 面微加工技术中的二氧化硅牺牲层工艺,30,提高横向腐蚀速率,采用氢氯酸与氢氟酸混合液，用HF:H2O(1:1)与HF：HCl（1:1）腐蚀二氧化硅，HF:H2O的腐蚀速率为330 nm min，HF：HCl的腐蚀速率617 nm min，HF：HCl的另一个优点是对氮化硅与多晶硅腐蚀较低，有利于保护器件结构不受酸液腐蚀 采用掺磷或掺硼的二氧化硅，又称磷硅玻璃（phosphosilicate glass,PSG）和硼磷玻璃（boron-phosphosilicate glass,BP
14、SG)。HF:HCl（1：1)混合液腐蚀PSG的速率为1133 nm min，而腐蚀BPSG的速率为4167 nm min,31,玻璃,玻璃是一种非晶态二氧化硅，主要应用在微流体系统中，例如在玻璃表面腐蚀微流体通道，与硅的微加工过程基本一致，玻璃还含有Na2O、 CaO、 MgO 和少量Al2O3（BCl3刻蚀），他们会加快HF腐蚀速率，也使用等离子体刻蚀的方法不可行 对较浅的沟道刻蚀可以选作光刻胶做掩模，若刻蚀超过1h，光刻胶会出现大量针孔，因此对深沟道刻蚀最好采用Cr或Au掩模 腐蚀液为缓冲氢氟酸（7份NH4F与一份HF），加少量的HCl（9%）可以使腐蚀的表面更光滑，腐蚀速率可达1 mm
15、in以上,32,图 8-2-12 在HF酸中加HCl对微沟道腐蚀表面的影响,(a) 加了HCL酸,(b)没加HCl酸（CaF2),33,等离子体产生：射频电源有阴极端经电容耦合输入，阳极接地。在阴极与阳极间的射频电场作用下，空间初始的少量电子被加速获得能量与气体碰撞，导致气体原子被电离。电离的气体原子释放出更多自由电子，导致更多气体原子被电离，因此产生一种“雪崩效应”。随着气体分子的大量电离气体由最初的绝缘状态变为导电状态，有电流通过，并在阴极与阳极间形成电场。同时空间的自由电子也会不断的与气体离子碰撞复合，恢复为气体原子。最终达到平衡空间形成等离子体，气体离子恢复到原子态会以光子的形式释放能
16、量，产生辉光，产生等离子体的过程也叫辉光放电过程。,8.3 反应离子刻蚀,8.3.1 反应离子刻蚀的原理,34,图 8-3-1 平板电极辉光放电系统与放电区电位分布,35,反应器组成部分：,（1）真空系统一个密闭的反应腔，附带一套真空泵来实现压力控制。腔内压力通常维持在微米汞柱范围 （2）气体流动控制系统实现气体的循环。将反应的特定气体供进来，将反应的特定的挥发性气体派出去 （3）驱动系统可以采用不同的动力源，如射频、直流、交流、或者微波 （4）耦合可以有电容式或者电感式,36,图 8-3-2 用于干法刻蚀的等离子反应器的基本结构,37,刻蚀原理：,（1）物理溅射（溅射镀膜）阴极表面的负电场有利于对离子的加速。离子轰击样品表面清除了表面碳氢化合物污染和天然氧化层，有利于反应气体吸附，另
