反应离子刻蚀技术的原理
摘要：详细阐述离子刻蚀技术的原理，反应腔功能与结构设计，着重介绍适应集成电路特征尺寸微细化发展所采用的新技术。关键词：刻蚀，等离子体，射频Author: 刘晓明from Applied Material (China) --SolidState Technology( China) 前言目前，整个集成电路制造技术向着高集成度、小特征尺寸（CD）的方向发展。硅片直径从最初的4英寸发展到已批量生产的12英寸生产线。同时，衡量半导体制造技术的关键参数－特征尺寸亦朝着微细化方向发展，从最初的5祄发展到当前的110nm、90nm、65nm。而刻蚀是决定特征尺寸的核心工艺技术之一。刻蚀技术分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀采用化学腐蚀进行，是传统的刻蚀工艺。它具有各项同性的缺点，即在刻蚀过程不但有所需要的纵向刻蚀，还有不需要的横向刻蚀，因而精度差，线宽一般在3祄以上。干法刻蚀是因应大规模集成电路电路生产的需要而被开发出的精细加工技术，它具有各项异性的特点，在最大限度上保证了纵向刻蚀，还控制了横向刻蚀。目前流行的典型设备为反应离子刻蚀（RIE-Reactive Ion Etch）系统。它已被广泛应用于微处理器（CPU）、存储（DRAM）和各种逻辑电路的制造中。其分类按照刻蚀的材料分为介电材料刻蚀（Dielectric Etch）、多晶硅刻蚀（Poly-silicon Etch）和金属刻蚀（Metal Etch）。反应离子刻蚀技术的原理刻蚀精度主要是用保真度（Profile）、选择比（Selectivity）、均匀性（Uniformity）等参数来衡量。所谓保真度度，就是要求把光刻胶的图形转移到其下的薄膜上,即希望只刻蚀所要刻蚀的薄膜，而对其上的掩膜和其下的衬底没有刻蚀。事实上，以上三个部分都会被刻蚀，只是刻蚀速率不同。选择比（Selectivity）就是用来衡量这一指标的参数。S=V/U（V为对薄膜的刻蚀速率，U为对掩膜或衬底的刻蚀速率），S越大则选择比越好。由于跨越整个硅片的薄膜厚度和刻蚀速率不尽相同，从而也导致图形转移的不均匀，尤其是中心（Center）和边缘（Edge）相差较大。因而均匀性（Etch Rate Uniformity）成为衡量这一指标的重要参数。除以上参数外，刻蚀速率（Etch Rate）也是一个重要指标，它用来衡量硅片的产出速度，刻蚀速率越快，则产出率越高。反应离子刻蚀是以物理溅射为主并兼有化学反应的过程。通过物理溅射实现纵向刻蚀，同时应用化学反应来达到所要求的选择比，从而很好地控制了保真度。刻蚀气体（主要是F基和CL基的气体）在高频电场（频率通常为13.56MHz）作用下产生辉光放电，使气体分子或原子发生电离，形成“等离子体”（Plasma）。在等离子体中，包含有正离子（Ion+)、负离子（Ion-）、游离基（Radical）和自由电子（e）。游离基在化学上是很活波的，它与被刻蚀的材料发生化学反应，生成能够由气流带走的挥发性化合物，从而实现化学刻蚀。另一方面，如图1所示，反应离子刻蚀腔体采用了阴极（Cathode）面积小，阳极面积大的不对称设计。在射频电源所产生的电场的作用下带负电的自由电子因质量小、运动速度快，很快到达阴极；而正离子则由于质量大，速度慢不能在相同的时间内到达阴极, 从而使阴极附近形成了带负电的鞘层电压。同时由于反应腔的工作气压在10-3~10-2Torr, 这样正离子在阴极附近得到非常有效的加速，垂直轰击放置于阴极表面的硅片，这种离子轰击可大大加快表面的化学反应及反应生成物的脱附，从而导致很高的刻蚀速率。正是由于离子轰击的存在才使得各向异性刻蚀得以实现。[attach]201183[/attach] 图1. DPSII 刻蚀腔结构图初期的射频系统普遍为电容式耦合单射频系统设计（Bias RF）。但随着工艺要求的不断提高，双射频设计（Bias RF 和Source RF）开始被广泛应用。特别是到65nm以后，这已经成为必然选择。该设计方式能把离子的轰击速度和浓度分开控制，从而更好地控制刻蚀速率、选择比、均匀性和特征尺寸（CD）。传统的单射频系统为了提高刻蚀速率，通常会增加RF功率以提高电场强度，从而增加离子浓度（Ion Density）、加快刻蚀。但离子的能量（Ion Energy）也会相应增加，损伤硅片表面。为了解决这一问题，半导体设备厂商普遍采用了双射频系统设计，也就是在原有基础上，增加一个置于腔体顶部的射频感应电场来增加离子的浓度。其工作原理如下，如图2所示，一个射频电源（Source RF）加在一个电感线圈上，产生交变磁场从而产生感应电场。该电场加速产生更多的离子，而又不直接轰击硅片。[attach]201184[/attach] 图2. 电感耦合原理图此
外，在反应腔四周安装电磁场也是被广泛应用的以增加离子浓度的重要手段。电子在磁场和电场的共同作用下将作圆柱状回旋运动而不是电场下的直线运动。磁场的存在将直接导致反应气体电离截面的增加。磁场的引进会增强离子密度，并使得等离子刻蚀技术可以在更低气压下得以运用（<10 mT）。由于离子密度的增加，撞击表面的离子能量也可以在不降低刻蚀速率的情况下被降低，从而提高刻蚀选择比。反应腔功能与结构一个典型的刻蚀腔体（Plasma Etch Chamber）主要由以下几个部分组成：1. 反应腔由铝合金反应腔体、换洗套件（Swap Kit）和工艺套件（Process Kit）组成。它们与阴极（Cathode）和腔体上盖一起构成产生等离子体的反应室。在设备的定期保养和清洗过程中，只需更换换洗套件、工艺套件和腔体上盖，从而延长了腔体的使用寿命、缩短了保养时间、提高了生产效率。2．真空及压力控制系统刻蚀反应腔工作在真空状态下，工作压力一般在10-3~10-2Torr之间。整个系统主要由干泵（Dry Pump）、分子泵（Turbo Pump）、调压阀（Throttle Valve）、门阀（Gate Valve）、隔离阀（Isolation Valve）、真空计和各种真空检测开关组成。干泵真空度通常能达到100mT，分子泵则能达到0.1mT，分子泵的选型根据刻蚀压力和刻蚀腔容积的不同而不同。随着硅片由200mm发展到300mm，极限真空的要求越来越高，分子泵的抽速越来越大。从300－2200L/s发展到1600-2500L/s。为了进一步提高刻蚀的均匀性，某些产品还采用了双分子泵设计，如应用材料公司的300mm EMAX。压力的测量是由真空计来实现的，要求具有精度高、稳定性好的优点。薄膜式电容真空计（Manometer）则因具备上述特点，而被业界广泛应用。其量程范围有100mT，1T和10T三种。金属和多晶硅刻蚀多选用100mT 真空计，而介电材料刻蚀选用1T真空计。压力控制由电动调压阀（Throttle Valve）来完成。3. 射频（RF）系统射频系统由射频发生器（RF Generator）和匹配器（RF Match）组成，发生器产生的射频信号首先输出到匹配器，然后输出到反映腔阴极。该系统通常有两种组合方式：常用的为固定频率射频发生器和可调匹配器；另一种则为变频式射频发生器和不可调匹配器。当反应腔内的等离子体形成后，整个腔体为可变电容性负载。对于第一种组合方式，射频发生器的输出频率和功率固定，匹配器则自动调节其内部的可变电感（L）实现共振；同时调节可变电容器来实现阻抗匹配（50Ω）以减小反射频率，从而使发生器的功率最大限度地输出到阴极。对于第二种组合方式，匹配器由固定的电容和电感组成，射频发生器通过调节频率实现共振，同时增大实际输出功率来保证输出到阴极的功率达到设定值。4. 静电吸盘和硅片温度控制系统在200mm和300mm集成电路制造设备中，各供应商普遍采用了静电吸盘（Electrostatic Chuck）技术，而抛弃了传统的机械固定模式。它提高了刻蚀均匀性、减少了尘埃微粒（Particle）。同时，热交换器和硅片背面氦气（He）冷却技术进行温度控制的运用确保了整个硅片在刻蚀过程中的温度均匀，从而减少了对刻蚀速率均匀性的影响。静电吸盘按照原理分为库仑力静电场吸附和Johnsen-Rahbeck效应两种，主要是利用吸盘上所加高电压（HV）与硅片上因等离子效应而产生的负电压(DC Bias)之间的电压差将硅片吸附到吸盘上。它们采用了不同的介电材料，前一种采用高分子聚合物（Polymer），后一种则采用氮化铝（AlN）。它们与高电压（HV Module）发生器相配合，产生可通过软件设定的电压值。总的来说，高分子聚合物静电吸盘所需电压较高，漏电流也大，使用寿命较短。而陶瓷静电吸盘（ALN Ceramic ESC）价格相对昂贵，但使用寿命长，能提供更稳定的吸附力（Chucking Force）和背氦控制。5．气体流量控制系统刻蚀气体的流量由质量流量控制器（MFC）来控制，其流量范围一般为50-1000sccm，控制精度可达+/-1%，流量稳定时间<1s 。该控制器按照内部结构可分为模拟电路型，数字电路型及目前最先进的压力变化补偿型（PTI-Pressure Transient Insensitive Technology）。该控制器能够自动补偿气源压力的波动，保证输出流量稳定。6．刻蚀终点检测系统该系统被广泛应用于先进刻蚀设备中，以保证刻蚀深度。其工作原理为通过检测特定波长的光，来确定刻蚀是否结束。通常有两种方式：一是检测参与反应的化学气体浓度突然升高，或者检测反应生成物的浓度骤然下降。该设备按照检测波长的范围可分为单
波长（High Optical Throughput）和分光镜（Monochromator）两种。前者只能通过特定波长的光，后者可通过电机控制分光镜的角度将所需波长的光分离出来。7．传送系统传送系统由机械手（Robot）、硅片中心检测器和气缸等主要部件组成。机械手负责硅片的传入和传出。在传送过程中，中心检测器会自动检测硅片中心在机械手上的位置，进而补偿机械手伸展和旋转的步数以保证硅片被放置在静电吸盘的中心。硅片在反应腔中通常有硅片刻蚀时的位置硅片被传送时的位置，它们是通过气缸带动波纹管上下运动来实现的。8．系统软件及控制随着软件技术的发展，用在刻蚀设备上的专业控制软件也从传统的DOS 或类DOS 操作界面过渡到了Windows操作系统。同时，还引入了分布式控制系统的概念。每个反应腔都具备了独立的控制软件和硬件，即使在主机台停机的情况下仍可继续完成整个刻蚀过程以提高设备的可靠性。此外，Ethernet通讯技术和DNET 现场总线技术的引进实现了设备的远程控制，方便了工厂的管理。结束语随着集成电路的特征尺寸向着纳米级发展，对半导体设备的要求越来越高。双Bias RF技术、电加热型静电吸盘、更精确的终点检测和在线特征尺寸检测技术成为了各个设备厂商发展的重点。
反应离子刻蚀技术的原理
反应离子刻蚀技术的原理-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
摘要：详细阐述离子刻蚀技术的原理，反应腔功能与结构设计，着重介绍适应集成电路特征尺寸微细化发展所采用的新技术。关键词：刻蚀，等离子体，射频 Author: 刘晓明 from Applied Material (China) --SolidState Technology( China) 前言目前，整个集成电路制造技术向着高集成度、小特征尺寸（CD）的方向发展。硅片直径从最初的4英寸发展到已批量生产的12英寸生产线。同时，衡量半导体制造技术的关键参数－特征尺寸亦朝着微细化方向发展，从最初的5祄发展到当前的110nm、90nm、65nm。而刻蚀是决定特征尺寸的核心工艺技术之一。刻蚀技术分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀采用化学腐蚀进行，是传统的刻蚀工艺。它具有各项同性的缺点，即在刻蚀过程不但有所需要的纵向刻蚀，还有不需要的横向刻蚀，因而精度差，线宽一般在3祄以上。干法刻蚀是因应大规模集成电路电路生产的需要而被开发出的精细加工技术，它具有各项异性的特点，在最大限度上保证了纵向刻蚀，还控制了横向刻蚀。目前流行的典型设备为反应离子刻蚀（RIE-Reactive Ion Etch）系统。它已被广泛应用于微处理器（CPU）、存储（DRAM）和各种逻辑电路的制造中。其分类按照刻蚀的材料分为介电材料刻蚀（Dielectric Etch）、多晶硅刻蚀（Poly-silicon Etch）和金属刻蚀（Metal Etch）。反应离子刻蚀技术的原理刻蚀精度主要是用保真度（Profile）、选择比（Selectivity）、均匀性（Uniformity）等参数来衡量。所谓保真度度，就是要求把光刻胶的图形转移到其下的薄膜上,即希望只刻蚀所要刻蚀的薄膜，而对其上的掩膜和其下的衬底没有刻蚀。事实上，以上三个部分都会被刻蚀，只是刻蚀速率不同。选择比（Selectivity）就是用来衡量这一指标的参数。S=V/U（V为对薄膜的刻蚀速率，U为对掩膜或衬底的刻蚀速率），S越大则选择比越好。由于跨越整个硅片的薄膜厚度和刻蚀速率不尽相同，从而也导致图形转移的不均匀，尤其是中心（Center）和边缘（Edge）相差较大。因而均匀性（Etch Rate Uniformity）成为衡量这一指标的重要参数。除以上参数外，刻蚀速率（Etch Rate）也是一个重要指标，它用来衡量硅片的产出速度，刻蚀速率越快，则产出率越高。反应离子刻蚀是以物理溅射为主并兼有化学反应的过程。通过物理溅射实现纵向刻蚀，同时应用化学反应来达到所要求的选择比，从而很好地控制了保真度。刻蚀气体（主要是F基和CL基的气体）在高频电场（频率通常为13.56MHz）作用下产生辉光放电，使气体分子或原子发生电离，形成“等离子体”（Plasma）。在等离子体中，包含有正离子（Ion+)、负离子（Ion-）、游离基（Radical）和自由电子（e）。游离基在化学上是很活波的，它与被刻蚀的材料发生化学反应，生成能够由气流带走的挥发性化合物，从而实现化学刻蚀。另一方面，如图1所示，反应离子刻蚀腔体采用了阴极（Cathode）面积小，阳极面积大的不对称设计。在射频电源所产生的电场的作用下带负电的自由电子因质量小、运动速度快，很快到达阴极；而正离子则由于质量大，速度慢不能在相同的时间内到达阴极, 从而使阴极附近形成了带负电的鞘层电压。同时由于反应腔的工作气压在10-3~10-2Torr, 这样正离子在阴极附近得到非常有效的加速，垂直轰击放置于阴极表面的硅片，这种离子轰击可大大加快表面的化学反应及反应生成物的脱附，从而导致很高的刻蚀速率。正是由于离子轰击的存在才使得各向异性刻蚀得以实现。 [attach]201183[/attach] 图1. DPSII 刻蚀腔结构图初期的射频系统普遍为电容式耦合单射频系统设计（Bias RF）。但随着工艺要求的不断提高，双射频设计（Bias RF 和Source RF）开始被广泛应用。特别是到65nm以后，这已经成为必然选择。该设计方式能把离子的轰击速度和浓度分开控制，从而更好地控制刻蚀速率、选择比、均匀性和特
深硅刻蚀工艺原理
硅蚀刻工艺在MEMS中的应用 文章来源：本站原创 点击数：97 录入时间：2006-4-7 减小字体增大字体 Dave Thomas / Trikon Technologies，Newport，Wales，United Kingdom 本文介绍了在现代微机电系统（MEMS；Micro Electro-Mechanical System）制造过程中必不可少的硅蚀刻流程，讨论了蚀刻设备对于满足四种基本蚀刻流程的要求并做了比较，包括块体（bulk）、精度（pre cision）、绝缘体上硅芯片（SOI；Silicon On Insulator）及高深宽比的蚀刻（high aspect ratio etching）等。并希望这些基本模块能衍生出可提供具备更高蚀刻率、更好的均匀度、更平滑的蚀刻侧壁及更高的高深宽比的蚀刻能力等蚀刻设备，以满足微机电系统的未来发展需求。 微机电系统是在芯片上集成运动件，如悬臂（cantilever）、薄膜（membrane）、传感器（sensor）、反射镜（mirror）、齿轮（gear）、马达（motor）、共振器（resonator）、阀门（valve）和泵（pump）等。这些组件都是用微加工技术（micromachining）制造的。由于硅材料的机械性及电性众所周知，以及它在主流IC制造上的广泛应用，使其成为微加工技术的首要选择材料。在制造各式各样的坑、洞、齿状等几何形状的方法中，湿式蚀刻具有快速及低成本的优势。然而，它所具有对硅材料各方向均以相同蚀刻速率进行的等向性（isotropic）蚀刻特性、或者是与硅材料的晶体结构存在的差异性、产生不同蚀刻速率的非等向性（a nisotropic）等蚀刻特性，会限制我们在工艺中对应用制造的特定要求，例如喷墨打印机的细微喷嘴制造（非等向性蚀刻特性总会造成V形沟槽，或具锥状（tapered walls）的坑洞，使关键尺寸不易控制）。而干式蚀刻正可克服这个应用限制，按照标准光刻线法（photolithographic）的光罩所定义的几何图案，此类干式蚀刻工艺可获取具有垂直侧壁的几何图案。举例来说，通常要蚀刻定义出较大尺寸的组件，如电容式加速微传感器（capacitive accelerometers）。通常我们会优先考虑湿式蚀刻方式，但对于需要更精确尺寸控制、或是整体尺寸需微缩的组件的制造，则会考虑选择采用干式蚀刻来达到工艺要求。 硅蚀刻 广泛应用的硅蚀刻方法，是起源于德国Robert Bosch公司开发的非等向性硅蚀刻工艺方法，被称为Bosch 气体交替技术（Bosch gas-switching technique）[1]。利用具有非等向性蚀刻反应的等离子源，与通过反应形成高分子蔽覆层（polymeric passivation layer）的另一种等离子源，两者反复交替进行的方法，以达到硅蚀刻的工艺要求。常用的在硅蚀刻生产过程中的气体选择，多是采用SF6（六氟化硫），因其可在能量只有2 0eV的条件下即可分解出6个氟原子，而这些氟原子会继续与Si反应形成挥发性SiF4（四氟化硅）。理论上，已定义几何图案的6寸硅晶圆占据了大约15%的裸片面积，设定等离子反应室内压力>30mtorr、SF6
Ar等离子体下的反应离子刻蚀
Vol.34,No.5Journal of Semiconductors May2013 Reactive ion etching of Si2Sb2Te5in CF4/Ar plasma for a nonvolatile phase-change memory device Li Juntao(李俊焘)1;2; ,Liu Bo(刘波)1; ,Song Zhitang(宋志棠)1,Yao Dongning(姚栋宁)1, Feng Gaoming(冯高明)3,He Aodong(何敖东)1;2,Peng Cheng(彭程)1;2, and Feng Songlin(封松林)1 1State Key Laboratory of Functional Materials for Informatics,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences,Shanghai200050,China 2University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China 3United Laboratory,Semiconductor Manufacturing International Corporation,Shanghai201203,China Abstract:Phase change random access memory(PCRAM)is one of the best candidates for next generation non- volatile memory,and phase change Si2Sb2Te5material is expected to be a promising material for PCRAM.In the fabrication of phase change random access memories,the etching process is a critical step.In this paper,the etching characteristics of Si2Sb2Te5films were studied with a CF4/Ar gas mixture using a reactive ion etching system.We observed a monotonic decrease in etch rate with decreasing CF4concentration,meanwhile,Ar concentration went up and smoother etched surfaces were obtained.It proves that CF4determines the etch rate while Ar plays an im- portant role in defining the smoothness of the etched surface and sidewall edge https://www.wendangku.net/doc/6e15351690.html,pared with Ge2Sb2Te5, it is found that Si2Sb2Te5has a greater etch rate.Etching characteristics of Si2Sb2Te5as a function of power and pressure were also studied.The smoothest surfaces and most vertical sidewalls were achieved using a CF4/Ar gas mixture ratio of10/40,a background pressure of40mTorr,and power of200W. Key words:reactive ion etching;phase-change material;Si2Sb2Te5 DOI:10.1088/1674-4926/34/5/056001PACC:7360F;8160 1.Introduction Nowadays,phase change random access memory (PCRAM)has been regarded as one of the most promising non-volatile memories,and has received more and more attention because of its superior performance and other mer-its?1;2 .It was devised by Ovshinsky in1968?3 based on the rapid reversible phase change effect in some materials under the influence of an electric current pulse,and the different resistances between crystalline and amorphous states define the logic state of an individual bit. Phase change Si2Sb2Te5material,expected as a promising material for PCRAM,possesses a wider band-gap comparing to Ge2Sb2Te5.The band-gap width of amorphous and poly-crystalline Si2Sb2Te5are determined to be0.89and0.62eV by means of Fourier transform infrared spectroscopy?4 .The mate-rial possesses a low threshold current from amorphous to poly-crystalline state in voltage–current measurement,and shows a good data retention.These properties prove Si2Sb2Te5is a po-tential material?4;5 . In this paper,the reactive ion etching(RIE)process of Si2Sb2Te5films in CF4/Ar plasma is described.The etch rate and surface roughness were examined systematically as a func-tion of pressure,power,and Ar concentration in the CF4/Ar mixture gas.A smooth surface was successfully obtained us- ing the optimization approach described below. 2.Experiment In this study,Si2Sb2Te5films were deposited with the ra- dio frequency(RF)-magnetron sputtering method using single element targets at room temperature.The thickness of the films was about400nm measured by a cross-sectional scanning elec- tron microscope(SEM,Hitachi S-4700).The compositions of films were determined by means of energy dispersive spec- troscopy(EDS).Shipley6809photo-resist was used for pattern definition.An Oxford80plus RIE system with a maximum RF power of600W was used to etch the Si2Sb2Te5films.The etch gas ratio was controlled by mass flow controllers,and the gas pressure in the chamber was adjusted by a clapper valve. The temperature of the sample holder was controlled by heat transfer fluid(Hexid)and held at30?C.The experimental con-trol parameters were the gas flow rate,chamber background pressure,CF4/Ar ratio and the incident RF power applied to the lower electrode.A total flow rate of CF4C Ar was50sccm throughout the experiment,while the CF4/Ar ratio was varied as an optimization parameter. Etching depths were measured using a surface profile- *Project supported by National Key Basic Research Program of China(Nos.2010CB934300,2011CBA00607,2011CB9328004),the Na-tional Integrate Circuit Research Program of China(No.2009ZX02023-003),the National Natural Science Foundation of China(Nos. 60906004,60906003,61006087,61076121,61176122,61106001),the Science and Technology Council of Shanghai(Nos.11DZ2261000, 11QA1407800),and the Chinese Academy of Sciences(No.20110490761). ?Corresponding author.Email:jet_lee@https://www.wendangku.net/doc/6e15351690.html,;liubo@https://www.wendangku.net/doc/6e15351690.html, Received25August2012,revised manuscript received3December2012?2013Chinese Institute of Electronics
反应离子刻蚀实验
反应离子刻蚀硅阵列实验 一、实验目的： 1、掌握反应离子刻蚀的基本原理。 2、掌握利用单晶硅刻蚀硅阵列的实验流程。 3、了解刻蚀后的硅阵列的表征方法。 二、实验原理 刻蚀技术分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀是传统的刻蚀工艺，把硅片浸泡在一定的化学试剂或试剂溶液中，使没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分薄膜表面与试剂发生化学反应而被除去，其优点是操作简便、对设备要求低、易于实现大批量生产，并且刻蚀的选择性也好。但是，它具有各项同性的缺点，即在刻蚀过程不但有所需要的纵向刻蚀，还有不需要的横向刻蚀，因而精度差，线宽一般在3μm以上。干法刻蚀是应大规模集成电路生产的需要而被开发出的精细加工技术，它具有各项异性的特点，在最大限度上保证了纵向刻蚀，还控制了横向刻蚀。 反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)是干法刻蚀的一种，是以物理溅射为主并兼有化学反应的过程，通过物理溅射实现纵向刻蚀，同时应用化学反应来达到所要求的选择比，其基本工作原理是刻蚀气体（主要是F基和Cl基的气体）在高频电场（频率通常为13.56MHz）作用下产生辉光放电，使气体分子或原子发生电离，形成“等离子体”（Plasma）。在等离子体中，包含有正离子（Ion+)、负离子（Ion-）、游离基（Radical）和自由电子（e）。游离基在化学上是很活波的，它与被刻蚀的材料发生化学反应，生成能够由气流带走的挥发性化合物，从而实现化学刻蚀。而质量较大的正离子，被阴极附近带负电的鞘层电压有效的加速，垂直轰击放置于阴极表面的硅片，以较大的动量进行物理刻蚀，这种离子轰击可大大加快表面的化学反应及反应生成物的脱附，从而导致很高的刻蚀速率。 三、实验装置 ME-3A型多功能磁增强反应离子刻蚀机 四、实验内容和步骤
第六讲 等离子体刻蚀
干法体硅加工―― 深反应离子刻蚀技术 干法体硅加工的必要性： 高深宽比微结构是MEMS体系必不可少的特征之一，基于硅的优异机械特性和半导体工业的积累，硅被选择作为MEMS 的主要结构材料，但是，湿法刻蚀难以实现任意形状的图形转移，复杂微结构的硅材料在高深宽比硅干法刻蚀获得进展之前是非常困难和有很多限制条件的，因此，人们在硅的深刻蚀加工方面倾注了大量的精力，因此也取得了长足进步，发展称为独具特色的专用加工设备，大有取代湿法刻蚀的趋势。 内容： 等离子体刻蚀技术 硅的刻蚀与高深宽比机制 应用
等离子体刻蚀技术 等离子体的形成： 当一定量的化学气体进入一定压力的腔体，在上下电极加上高电压，产生电弧放电，生成大量的离子和自由电子，这种由部分离化的气体组成的气相物质被称为等离子体 对于气体分子AB，其等离子体中可能含有： A,B,A+,B+,AB+,A*,B*,AB*，e 其中激发态的粒子会自发放电，产生辉光，称为辉光放电现象。于是： 直流激发的辉光放电被称为直流辉光放电 射频电流激发的放电就称为射频放电 对于直流等离子体反应，其典型气压约在1mTorr，典型装置如下：
平板间距决定了激发电源的电压，大约是5厘米对应500V，10厘米对应1000V的水平 处于两极之间的等离子体，正电粒子向负极运动，电子向正极运动，电子更快。 离子最终撞击阴极将产生更多的二次电子，二次电子再向正极运动，并被极间电场加速，当能量足够高时，与腔室内的气体分子碰撞，又可以产生新的离子，如此反复，就可以维持腔室内一定区域的等离子状态。 研究表明：等离子体中绝大多数仍为气体分子，自由基和带电粒子只占很小部分，对于简单的直流放电等离子体，自由基约占1%，而离子更是只有大约0.01% 因此，一般等离子体刻蚀反应主要是由自由基去完成的
反应离子刻蚀技术的原理
摘要：详细阐述离子刻蚀技术的原理，反应腔功能与结构设计，着重介绍适应集成电路特征尺寸微细化发展所采用的新技术。关键词：刻蚀，等离子体，射频Author: 刘晓明from Applied Material (China) --SolidState Technology( China) 前言目前，整个集成电路制造技术向着高集成度、小特征尺寸（CD）的方向发展。硅片直径从最初的4英寸发展到已批量生产的12英寸生产线。同时，衡量半导体制造技术的关键参数－特征尺寸亦朝着微细化方向发展，从最初的5祄发展到当前的110nm、90nm、65nm。而刻蚀是决定特征尺寸的核心工艺技术之一。刻蚀技术分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀采用化学腐蚀进行，是传统的刻蚀工艺。它具有各项同性的缺点，即在刻蚀过程不但有所需要的纵向刻蚀，还有不需要的横向刻蚀，因而精度差，线宽一般在3祄以上。干法刻蚀是因应大规模集成电路电路生产的需要而被开发出的精细加工技术，它具有各项异性的特点，在最大限度上保证了纵向刻蚀，还控制了横向刻蚀。目前流行的典型设备为反应离子刻蚀（RIE-Reactive Ion Etch）系统。它已被广泛应用于微处理器（CPU）、存储（DRAM）和各种逻辑电路的制造中。其分类按照刻蚀的材料分为介电材料刻蚀（Dielectric Etch）、多晶硅刻蚀（Poly-silicon Etch）和金属刻蚀（Metal Etch）。反应离子刻蚀技术的原理刻蚀精度主要是用保真度（Profile）、选择比（Selectivity）、均匀性（Uniformity）等参数来衡量。所谓保真度度，就是要求把光刻胶的图形转移到其下的薄膜上,即希望只刻蚀所要刻蚀的薄膜，而对其上的掩膜和其下的衬底没有刻蚀。事实上，以上三个部分都会被刻蚀，只是刻蚀速率不同。选择比（Selectivity）就是用来衡量这一指标的参数。S=V/U（V为对薄膜的刻蚀速率，U为对掩膜或衬底的刻蚀速率），S越大则选择比越好。由于跨越整个硅片的薄膜厚度和刻蚀速率不尽相同，从而也导致图形转移的不均匀，尤其是中心（Center）和边缘（Edge）相差较大。因而均匀性（Etch Rate Uniformity）成为衡量这一指标的重要参数。除以上参数外，刻蚀速率（Etch Rate）也是一个重要指标，它用来衡量硅片的产出速度，刻蚀速率越快，则产出率越高。反应离子刻蚀是以物理溅射为主并兼有化学反应的过程。通过物理溅射实现纵向刻蚀，同时应用化学反应来达到所要求的选择比，从而很好地控制了保真度。刻蚀气体（主要是F基和CL基的气体）在高频电场（频率通常为13.56MHz）作用下产生辉光放电，使气体分子或原子发生电离，形成“等离子体”（Plasma）。在等离子体中，包含有正离子（Ion+)、负离子（Ion-）、游离基（Radical）和自由电子（e）。游离基在化学上是很活波的，它与被刻蚀的材料发生化学反应，生成能够由气流带走的挥发性化合物，从而实现化学刻蚀。另一方面，如图1所示，反应离子刻蚀腔体采用了阴极（Cathode）面积小，阳极面积大的不对称设计。在射频电源所产生的电场的作用下带负电的自由电子因质量小、运动速度快，很快到达阴极；而正离子则由于质量大，速度慢不能在相同的时间内到达阴极, 从而使阴极附近形成了带负电的鞘层电压。同时由于反应腔的工作气压在10-3~10-2Torr, 这样正离子在阴极附近得到非常有效的加速，垂直轰击放置于阴极表面的硅片，这种离子轰击可大大加快表面的化学反应及反应生成物的脱附，从而导致很高的刻蚀速率。正是由于离子轰击的存在才使得各向异性刻蚀得以实现。[attach]201183[/attach] 图1. DPSII 刻蚀腔结构图初期的射频系统普遍为电容式耦合单射频系统设计（Bias RF）。但随着工艺要求的不断提高，双射频设计（Bias RF 和Source RF）开始被广泛应用。特别是到65nm以后，这已经成为必然选择。该设计方式能把离子的轰击速度和浓度分开控制，从而更好地控制刻蚀速率、选择比、均匀性和特征尺寸（CD）。传统的单射频系统为了提高刻蚀速率，通常会增加RF功率以提高电场强度，从而增加离子浓度（Ion Density）、加快刻蚀。但离子的能量（Ion Energy）也会相应增加，损伤硅片表面。为了解决这一问题，半导体设备厂商普遍采用了双射频系统设计，也就是在原有基础上，增加一个置于腔体顶部的射频感应电场来增加离子的浓度。其工作原理如下，如图2所示，一个射频电源（Source RF）加在一个电感线圈上，产生交变磁场从而产生感应电场。该电场加速产生更多的离子，而又不直接轰击硅片。[attach]201184[/attach] 图2. 电感耦合原理图此
RIE深刻蚀SiC工艺
Published in Materials Research Society Symposium Proceedings Vol. 622 ? 2000 Materials Research Society Deep RIE Process for Silicon Carbide Power Electronics and MEMS Glenn Beheim and Carl S. Salupo1 NASA Glenn Research Center Cleveland, OH 44135 1Akima Corporation Cleveland, OH 44135 ABSTRACT Reactive ion etching (RIE) of silicon carbide (SiC) to depths ranging from 10 μm to more than 100 μm is required for the fabrication of SiC power electronics and SiC MEMS. A deep RIE process using an inductively coupled plasma (ICP) etch system has been developed which provides anisotropic etch profiles and smooth etched surfaces, a high rate (3000 ?/min), and a high selectivity (80:1) to the etch mask. An etch depth of 100 μm is demonstrated. INTRODUCTION Deep RIE processes for SiC are needed to realize the intrinsic advantages of SiC for power electronics and harsh environment MEMS. Etch depths from 10 μm to more than 100 μm are required for trench isolation of SiC power devices, through-wafer vias for advanced packaging schemes, and bulk micromachined SiC structures. The ideal deep RIE process would provide a high rate (at least several thousand ?/min), a highly anisotropic etch profile (e.g. vertical sidewalls with minimal bowing), and smooth etched surfaces. In addition, a high selectivity with respect to an easily deposited and patterned etch mask is required. Deep RIE of SiC has previously been demonstrated using conventional capacitive-type RIE systems [1]. Previously, inductively coupled plasma (ICP) etching has been shown to provide high rates for SiC [2-4]. The effectiveness of ICP for deep etching of SiC is demonstrated here. Key advantages of ICP relative to conventional RIE include: (1) a considerably higher plasma density, which provides a greater flux of energetic ions and reactive species (e.g. atomic fluorine) to the sample; (2) capability for operation at lower pressures, which helps minimize bowing of the etch sidewalls and can also help to eliminate residues caused by the redeposition of nonvolatile etch products (e.g. sputtered mask materials) onto the etched surfaces; (3) capa-bility for independent control of the plasma density and the energy with which ions bombard the sample, through the use of separate RF generators for the coil and substrate bias electrode. EXPERIMENT A: ETCH RATE AND SELECTIVITY MEASUREMENTS For this study deep ICP etching was performed on the silicon face of n-type 6H-SiC using an STS Multiplex ICP [5]. The 10-mm square SiC samples were attached to 100-mm diameter silicon carrier wafers using a drop of photoresist. Typically, the silicon carrier wafer etches at a fairly rapid rate (about 2 μm/min) because Si readily reacts to form a volatile product with atomic fluorine. The sacrificial carrier wafer helps to minimize roughness caused by the sputtering of nonvolatile materials onto the etched SiC surface, which leads to micromasking. The loading effect caused by the silicon carrier wafer varies with different process parameters. For the baseline process (described below), the same etch rate was obtained whether the SiC
反应离子刻蚀的研究
反应离子刻蚀的研究 摘要：反应离子刻蚀（RIE）是一种物理作用和化学作用共存的刻蚀工艺，兼有离子溅射刻蚀和等离子化学刻蚀的优点，不仅分辨率高，同时兼有各向异性和选择性好的优点，而且刻蚀速率快。通过改变RIE 刻蚀参数如：射频功率、腔体压强、气体流量、气体组分等可以调整两种刻蚀过程所占比重。因此，优化刻蚀工艺就是要选择最优的刻蚀参数组合，在减小刻蚀损伤的同时保证光滑的刻蚀表面和一定的刻蚀速率以及方向性。本文归纳总结了常见薄膜的刻蚀优化方法。 关键词：反应离子刻蚀；离子溅射；刻蚀速率；均匀性 Research of Reactive Ion Etching Lu Dongmei, Yang Fashun (College of Science, Guizhou University, Gui Yang of Guizhou, 550025) Abstract:Reactive ion etching (RIE) is a kind of physical function and chemical etching, high resolution, anisotropic and good selectivity, and the etching rate is fast. By changing the RIE etching parameters: such as, RF power, cavity pressure, gas composition, can adjust the two etching process. Therefore, optimize the etching process is to select the optimal etching parameters combination, reducing the etching damage at the same time ensure smooth etched surface and certain etching rate. This article summarizes the common of thin film etching method. Key words: Reactive ion etching; ion sputtering; etching rate; uniformity 0引言 用光刻方法制成的微图形，只给出了电路的行貌，并不是真正的器件结构。因此需将光刻胶上的微图形转移到胶下面的各层材料上去，这个工艺叫做刻蚀。通常是用光刻工艺形成的光刻胶作掩模对下层材料进行腐蚀，去掉不要的部分，保留需要的部分。 刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类。湿法刻蚀是将硅片浸泡在可与被刻蚀薄膜进行反应的溶液中，用化学方法除去不要部分的薄膜。干法刻蚀主要利用气体辉光放电产生化学活性基、原子、离子等多种化学成分和被腐蚀物质表面发生作用，是一复杂的物理、化学过程。随着图形的微细化对刻蚀分辨率的要求不断提高，干法刻蚀以其可控性好、精确度高、较好的表面形貌、宜批量生产等特点受到普遍重视。 干法刻蚀加工方法主要有溅射与离子束铣蚀、等离子刻蚀(Plasma Etching)、反应离子刻蚀(RIE)等。RIE是一种物理作用和化学作用共存的刻蚀工艺，兼有离子溅射刻蚀和等离子化学刻蚀的优点，不仅分辨率高，同时兼有各向异性和选择性好的优点，而且刻蚀速率快。RIE的各向异性可以实现细微图形的转换，随着大规模集成电路工艺技术的发展，为满足越来越小的尺寸要求，RIE已成为亚微米及以下尺寸最主要的刻蚀方式。
离子刻蚀技术现状与未来发展
第6卷 第2期光学 精密工程Vol.6,No.2 1998年4月OPT ICS AND PRECISION ENGINEERIN G Apr il,1998离子刻蚀技术现状与未来发展 任延同 (中国科学院长春光学精密机械研究所 长春130022) 摘要 目前国内外出现的几种离子刻蚀技术——等离子体刻蚀、反应离子束刻 蚀、离子束铣、聚焦离子束刻蚀等分别作了详细介绍,并指出今后离子刻蚀技术的发展 方向。 关键词 离子刻蚀技术 等子体刻蚀 反应离子刻蚀 离子束铣 聚焦离子刻蚀 1 引 言 自1948年发明晶体管,随后出现集成电路,直到整个六十年代的二十年里,半导体器件光刻工艺中对各种材料均采用不同的试剂进行腐蚀,惯称湿法腐蚀。然而,当器件集成度进入中规模,结构尺寸小于10L m时,惯用的湿法腐蚀由于毛细现象和各向同性的腐蚀性就难以保证精度和重复性,迫切需要寻找新的途径。虽然人们早已认识到原子和游离基具有远强于分子的化学活性,但一直没有应用到固体材料的腐蚀技术上。直到六十年代人们才发现氧等离子体可用于去除残留碳化物,并成功地用于等离子体去胶工艺中。随后很快发展了半导体器件工艺中的干法刻蚀技术。自七十年代初,以辉光放电产生的气体等离子体进行腐蚀加工,至今二十多年,经历了多样化的发展过程,使技术不断得到完善和创新。 干法刻蚀是一个惯称,它指的是在低气压下与等离子体有关的腐蚀方法。而其它一些技术,如汽相腐蚀、激光诱导腐蚀,以及无掩膜的聚焦离子束腐蚀等,虽然亦有别于“湿法腐蚀”,但已自成体系,一般不列入干法刻蚀中。经过二十多年的发展,出现过多种干法刻蚀形式,它们各有各自的时代背景,也各有所长。表1列出的曾经得到较多应用的、具有一定普遍性的形式,其中: (1)屏蔽筒式——直到目前仍是等离体去胶机的基本结构形式; (2)下游式——属纯游离基的化学腐蚀; 收稿日期:1997-10-06 修稿日期:1998-01-09
MEMS制造中反应离子刻蚀工艺的模型及仿真
第!"卷第#期!$$%年&!月 电子器件 ’()*+,+-./0*12.342+560.*7+8)5+, 9.2:!";.<# 7+5?@A B C DE C?F B G H A E I B>C>J K L MB C=M=FN E O P B Q E I B>C R ST U V W X Y Z[\W]V^_X R S‘T R_W]a_ b c\dY_e f g_h f g dij ikf aiW l W m h g df aj n^o_h W f l X k f^h V\_m h T l W p\g m W h d X q_l r W l s!&$$t u X U V W l_v w O x I P E Q I y z6{.]|)}+*,).*12b!7v~(!,)512}.|+2.30+156)8+).*+65()*"b#$4v{()5()*52/|+,),.60.~)5 1*|1*),.60.~)55.}~.*+*6,),~0+,+*6+|<%(+~(!,)512}.|+2),1*12!&+|<%(+~101}+6+0,.36(+}.|+2 {+0++’60156+|30.}+’~+0)}+*6,X1*|6(+!810)+|{)6(6(+~0.5+,,~101}+6+0,.3#$4