刻蚀工艺及设备

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1、1 1 刻蚀工艺与设备培训 刻蚀工艺与设备培训 王瑗 纳米加工平台 王瑗 纳米加工平台 2009.5 IBE图片 2 2 刻蚀的基本原理刻蚀的基本原理 1 IBE刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备2 RIE刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备3 ICP刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备4 工艺过程、检测及仪器工艺过程、检测及仪器 5 3 3 刻蚀刻蚀 用物理的、化学的或同时使用化学和物理的方 法，有选择地把没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分 材料去除，从而得到和抗蚀剂完全一致的图形 刻蚀的基本原理刻蚀的基本原理 1 4 4 衬底衬底 掩膜掩膜 离子轰击离子轰击 干法刻蚀过程示意 刻蚀的基本原理刻蚀的基本原理 1 5 5

2、干法刻蚀工艺特点： 好的侧壁剖面控制，即各向异性 良好的刻蚀选择性; 合适的刻蚀速率；好的片内均匀性 工艺稳定性好，适用于工业生产 刻蚀种类: 干法刻蚀 利用等离子体将不要的材料去除（亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法） 湿法刻蚀 利用腐蚀性液体将不要的材料去除 刻蚀的基本原理刻蚀的基本原理 1 6 6 刻蚀参数刻蚀参数 刻蚀速率 刻蚀速率 习惯上把单位时间内去除材料的厚度定义为刻蚀速率 刻蚀前刻蚀后 刻蚀速率= 刻蚀的基本原理刻蚀的基本原理 1 刻蚀速率由工艺和设备变量决定，如被刻蚀材料类型，刻蚀机的结构配 置，使用的刻蚀气体和工艺参数设置 本页已使用福昕阅读器进行编辑。 福昕软件( C )

3、2 0 0 5 - 2 0 0 8 ，版权所有， 仅供试用。 7 选择比 选择比 同一刻蚀条件下，被刻蚀材料的刻蚀速率与另一种材料的刻 蚀速率的比。 刻蚀的基本原理刻蚀的基本原理 1 刻蚀参数刻蚀参数 均匀性 均匀性 衡量刻蚀工艺在整个晶片上，或整个一批，或批与批之间刻蚀能力 的参数 NU(%) = (Emax - Emin)/ 2Eave 本页已使用福昕阅读器进行编辑。 福昕软件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 0 8 ，版权所有， 仅供试用。 8 8 刻蚀剖面 刻蚀剖面 被刻蚀图形的侧壁形状 刻蚀的基本原理刻蚀的基本原理 1 各向同性：各向同性：在所有方 向上以相同的刻蚀速 率进行刻

4、蚀 各向异性：各向异性：刻蚀只在垂直于晶 片表面的方向进行 本页已使用福昕阅读器进行编辑。 福昕软件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 0 8 ，版权所有， 仅供试用。 9 9 离子束刻蚀（IBE)原理 离子束刻蚀离子束刻蚀是利用具有一定能量 的离子轰击材料表面，使材料原 子发生溅射，从而达到刻蚀目的 把Ar、Kr或Xe之类惰性气体充 入离子源放电室并使其电离形成 等离子体，然后由栅极将离子呈 束状引出并加速，具有一定能量 的离子束进入工作室，射向固体 表面撞击固体表面原子，使材料 原子发生溅射，达到刻蚀目的， 属纯物理过程。 IBE刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备2 1010 离子源构成及工

5、作原理 IBE刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备2 1111 IBE刻蚀特点 ?方向性好，各向异性，无钻蚀，陡直度高 ?分辨率高，可小于0.01m ?不受刻蚀材料限制（金属or化合物，无机物or有机物，绝缘体or半导体均可） ?刻蚀过程中可改变离子束入射角来控制图形轮廓 离子束刻蚀速率影响因素 A.被刻蚀材料种类 B.离子能量 C .离子束流密度 D.离子束入射角度 IBE刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备2 1212 IBE-A150设备 冷却水冷却水 离子源离子源 真空室真空室 分子泵分子泵 电控柜电控柜 IBE刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备2 1313 IBE相关刻蚀数据 材料刻蚀速率材料刻蚀速率 n

6、m/min 材料刻蚀速率材料刻蚀速率 nm/min 材料刻蚀速率材料刻蚀速率 nm/min Ni17-18Ti7-8GaN34-36 SiO217-18Al15-16Au55 Ge33-34TiN5-6ITO32-34 Si17-18GaAs35-40AZ胶胶18 材料刻蚀速率材料刻蚀速率 nm/min 材料刻蚀速率材料刻蚀速率 nm/min 材料刻蚀速率材料刻蚀速率 nm/min PMMA21AZ胶胶10Au35-37 Si14-15Ni-Cr合金合金10-12 离子能量：350eV 离子能量：300eV IBE刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备2 14 IBE刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备2 Gl

7、assSiNi 1515 IBE操作注意事项 启动离子源之前，必须确保离子源室和工件台通入冷却水 如果刻蚀工艺采用离子束入射角度30度时，在刻蚀时间 到达预定值10s前，必须将工件台转回水平位置 为更好的传递热量，放片时需在片子背面涂硅脂 放片、取片过程中应尽量避免油脂玷污片子图形表面 取片后用异丙醇擦去工件台上硅脂 抽真空次序不能错，开主阀前要确认真空度达到-1级 IBE刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备2 1616 反应离子刻蚀（RIE）刻蚀原理 刻蚀速率高、可控 各向异性，形貌可控 选择比高 RIE刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备3 一种采用化学反应和物理 离子轰击去除晶片表面材 料的技术 171

8、7 分离排放 扩散 表面扩散 解吸 反应 分离排放 扩散 表面扩散 解吸 反应 等离子体工艺等离子体工艺 RIE刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备3 1818 RIE刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备3 1919 TEGAL PLASMA ETCHER, MODEL 903e 适用于150mm单片晶片上的SiO2和Si3N4的刻蚀； 刻蚀温度能控制在2035度之间 主机 射频源 显示器 RIE刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备3 2020 1 SiO2刻蚀刻蚀 光刻胶掩膜 Profirle 85-90 刻蚀均匀性 5:1 SiO2: silicon/polysilicon =10:1 2 Si3N4刻蚀刻蚀 光

9、刻胶掩膜 Profile 85-90 刻蚀均匀性 3:1 Si3N4: aluminum 100:1 RIE刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备3 2121 RIE 操作注意事项 初始设置为6寸片刻蚀，必须放在两侧片架里，左侧进 片，右侧出片 每次程序运行前要将两边片架重新手动定位 射频源功率不宜设置过高，小于500W RIE刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备3 2222 电感耦合等离子体（ICP）刻蚀原理 ICP刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备4 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

10、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。 本页已使用福昕阅读器进行编辑。 福昕软件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 0 8 ，版权所有， 仅供试用。 2323 RIEICP 离子密度低离子密度低( 109 1010/cm3)离子密度高离子密度高 (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 （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

11、） 离子密度由ICP功率控制，离子能 量由 功率控制，离子能 量由RF功率控制 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 功率控制 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 DC Bias高损伤大低高损伤大低DC bias损伤小损伤小 RIE与ICP比较 ICP刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备4 本页已使用福昕阅读器进行编辑。 福昕软件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 0 8 ，版权所有， 仅供试用。 24

12、24 Oxford Plasma lab System 100 ICP 180 Wafers经由loadlock后再进出反应腔,确保反 应腔维持在真空下不受粉尘及湿度的影响. 将有毒气体及危险气体与超净室隔离开 能量产生能量产生能量产生能量产生 温控温控温控温控 真空真空真空真空 气路气路气路气路 ICP刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备4 2525 ICP功率: 0-3000W RF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 ICP刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备4 2626 藉由氦气良好的热传导特性,能将芯

13、片上温度均匀化 氦气冷却原理 ICP刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备4 本页已使用福昕阅读器进行编辑。 福昕软件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 0 8 ，版权所有， 仅供试用。 2727 ICP刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备4 2828 Material Etch rate (m/min) Process Gas MaskSelectivity Uniformity 2” Repeatability Profile GaN0.51BCl3 /Cl2SiO2510:1 0.3 BCl3 /Cl2 PR5:1 2BCl3 /Cl2PR20:1 2HBrSiO210:1 3% (1 x 2”) 3

14、%902 ICP相关刻蚀数据 ICP刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备4 2929 GaAs 刻蚀 ICP刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备4 3030 GaAs 穿孔刻蚀 ICP刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备4 3131 GaN刻蚀 ICP刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备4 3232 InP刻蚀 ICP刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备4 3333 ICP操作注意事项 小片刻蚀时需要在片子背面涂真空油脂，放片、取片过程中应尽 量避免油脂玷污片子图形表面，可用异丙醇擦除 ICP Service模式权限很大，为避免误操作，仅限关闭真空装置时 操作 在手动模式下进行托盘定位时，一定要注意门阀的开启状态及卡 盘的升起与否，

15、以免造成机械手、阀门、卡盘损坏 射频源功率不宜设置过高,ICP小于2000W,RF小于500W ICP刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备4 3434 加工过程中参数调节 ICP刻蚀原理及设备刻蚀原理及设备4 温度温度 刻蚀速率，化学反应 功率功率 离子密度，离子能量 压力压力 离子密度，离子方向性，化学刻蚀 其他其他 气体流量，反应物材料，反应物洁净度，掩膜材料 3535 ? 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

16、-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 刻蚀过程中密切关注监控系统，程序运行中不稳定情况，记录所有 参数（功率，气体流量等） 工艺过程、检测及仪器工艺过程、检测及仪器 5 3636 ? 刻蚀后的检查 (1) 正面颜色是否异常及刮伤 (2) 有无缺角及Particle 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 工艺过程、检测及仪器工艺过程、检测及仪器 5 37 刻蚀上机操作培训 400元（暂定） 上机操作培训后有实习期 实习期间需在平台刻蚀组人员在场的情 况下进行操作 查强查强 Email： 王瑗王瑗 Email：ywang2007sin