微细加工与MEMS技术-张庆中-11-刻蚀.ppt

1、第第 11 章章 刻刻 蚀蚀去胶去胶显影（第显影（第 1 次图形转移）次图形转移）刻蚀（第刻蚀（第刻蚀（第刻蚀（第 2 2 次图形转移）次图形转移）次图形转移）次图形转移）选择曝光选择曝光 对刻对刻对刻对刻蚀蚀蚀蚀的要求的要求的要求的要求 1、适当的刻、适当的刻蚀蚀速率速率 通常要求刻蚀速率为每分钟几十到几百纳米。通常要求刻蚀速率为每分钟几十到几百纳米。2、刻、刻蚀蚀的均匀性好（片内、片间、批次间）的均匀性好（片内、片间、批次间）刻蚀均匀性一般为刻蚀均匀性一般为 。大量或大面积硅片同时刻蚀时，。大量或大面积硅片同时刻蚀时，刻蚀速率会减小，这称为刻蚀的刻蚀速率会减小，这称为刻蚀的 负载效应负载效

2、应负载效应负载效应。3、选择比大、选择比大 选择比指对不同材料的刻蚀速率的比值。选择比指对不同材料的刻蚀速率的比值。4、钻蚀小、钻蚀小 5、对硅片的损伤小、对硅片的损伤小 6、安全环保、安全环保 钻蚀钻蚀钻蚀钻蚀（undercut）现象现象 对刻蚀速率的各向异性的定量描述对刻蚀速率的各向异性的定量描述式中，式中，RL 和和 RV 分别代表横向刻蚀速率和纵向刻蚀速率。分别代表横向刻蚀速率和纵向刻蚀速率。A=1 表示理想的各向异性，无钻蚀；表示理想的各向异性，无钻蚀；A=0 表示各向同性，表示各向同性，有严重的钻蚀。有严重的钻蚀。刻蚀刻蚀技术技术湿湿法法干法干法化学刻蚀化学刻蚀电解刻蚀电解刻蚀离子

3、铣刻蚀（物理作用）离子铣刻蚀（物理作用）等离子体刻蚀（化学作用）等离子体刻蚀（化学作用）反应离子刻蚀（物理化学作用）反应离子刻蚀（物理化学作用）刻刻刻刻蚀蚀蚀蚀技术的种类技术的种类技术的种类技术的种类 与湿法化学刻蚀相比，与湿法化学刻蚀相比，干法干法刻蚀对温度不那么敏感，工艺刻蚀对温度不那么敏感，工艺重复性好；有一定的各向异性；等离子体中的颗粒比腐蚀液中重复性好；有一定的各向异性；等离子体中的颗粒比腐蚀液中的少得多；产生的化学废物也少得多。的少得多；产生的化学废物也少得多。11.1 湿法刻蚀湿法刻蚀 湿法刻蚀是一种纯粹的化学反应过程。湿法刻蚀是一种纯粹的化学反应过程。优点优点优点优点 1、应用

4、范围广，适用于几乎所有材料；、应用范围广，适用于几乎所有材料；2、选择比大，易于光刻胶的掩蔽和刻蚀终点的控制；、选择比大，易于光刻胶的掩蔽和刻蚀终点的控制；3、操作简单，成本低，适宜于大批量加工。、操作简单，成本低，适宜于大批量加工。缺点缺点缺点缺点 1、为各向同性腐蚀，容易出现钻蚀；、为各向同性腐蚀，容易出现钻蚀；2、由于液体存在表面张力，不适宜于腐蚀极细的线条；、由于液体存在表面张力，不适宜于腐蚀极细的线条；3、化学反应时往往伴随放热与放气，导致腐蚀不均匀。、化学反应时往往伴随放热与放气，导致腐蚀不均匀。常用腐蚀液举例常用腐蚀液举例常用腐蚀液举例常用腐蚀液举例 1 1、SiOSiO2 2

5、腐蚀液腐蚀液腐蚀液腐蚀液 BHF：28 ml HF+170 ml H2O+113 g NH4F 2 2、SiSi 腐蚀液腐蚀液腐蚀液腐蚀液 Dash etch:1 ml HF+3 ml HNO3+10 ml CH3COOH Sirtl etch:1 ml HF+1 ml CrO3 (5 M 水溶液水溶液)Silver etch:2 ml HF+1 ml HNO3+2 ml AgNO3（0.65 M 水水溶液），（用于检测外延层缺陷）溶液），（用于检测外延层缺陷）Wright etch:60 ml HF+30 ml HNO3+60 ml CH3COOH+60 ml H2O+30 ml CrO3(

6、1g in 2 ml H2O)+2g(CuNO3)23H2O，（，（此腐蚀液可长期保存）此腐蚀液可长期保存）3 3、SiSi3 3N N4 4 腐蚀液腐蚀液腐蚀液腐蚀液 HF H3PO4(140oC 200oC )4 4、AlAl 腐蚀液腐蚀液腐蚀液腐蚀液 4 ml H3PO4+1ml HNO3+4 ml CH3COOH+1ml H2O，（35 nm/min）0.1M K2Br4O7+0.51 M KOH+0.6 M K3Fe(CN)6，（1 m/min，腐蚀时不产生气泡）腐蚀时不产生气泡）5 5、AuAu 腐蚀液腐蚀液腐蚀液腐蚀液 王水：王水：3 ml HCl+1ml HNO3，（，（25

7、50 m/min）4g KI+1g I+40 ml H2O（0.5 1 m/min，不损伤光刻胶），不损伤光刻胶）11.3 干法刻蚀基本分类干法刻蚀基本分类等离子体刻蚀（化学作用）等离子体刻蚀（化学作用）反应离子刻蚀（物理化学作用）反应离子刻蚀（物理化学作用）离子铣刻蚀（物理作用）离子铣刻蚀（物理作用）11.4 等离子体刻蚀等离子体刻蚀 一、等离子体刻蚀机理一、等离子体刻蚀机理一、等离子体刻蚀机理一、等离子体刻蚀机理 在低温等离子体中在低温等离子体中，除了含有电子和离子外，还含有大量，除了含有电子和离子外，还含有大量处于处于 激发态的游离基激发态的游离基激发态的游离基激发态的游离基 和和 化学

8、性质活泼的中性原子团化学性质活泼的中性原子团化学性质活泼的中性原子团化学性质活泼的中性原子团。正是利用。正是利用游离基和中性原子团与被刻蚀材料之间的化学反应游离基和中性原子团与被刻蚀材料之间的化学反应，来达到刻，来达到刻蚀的目的蚀的目的。对硅基材料的基本刻蚀原理对硅基材料的基本刻蚀原理对硅基材料的基本刻蚀原理对硅基材料的基本刻蚀原理 是用是用是用是用“硅硅硅硅-卤卤卤卤”键代键代键代键代替替替替“硅硅硅硅-硅硅硅硅”键键键键 ，从而产生挥发性的硅卤化合物。，从而产生挥发性的硅卤化合物。，从而产生挥发性的硅卤化合物。，从而产生挥发性的硅卤化合物。刻蚀硅基材料时的刻蚀气体有刻蚀硅基材料时的刻蚀气体

9、有 CF4、C2F6 和和 SF6 等。其中等。其中最常用的是最常用的是 CF4。CF4 本身并不会直接本身并不会直接刻蚀硅。等离子体中的高能电子撞击刻蚀硅。等离子体中的高能电子撞击CF4 分子使之裂解成分子使之裂解成 CF3、CF2、C 和和 F，这些都是具有极强这些都是具有极强化学反应性的原子团。化学反应性的原子团。CF4 等离子体对等离子体对 Si 和和 SiO2 有很高的刻蚀选择比，室温下可有很高的刻蚀选择比，室温下可高达高达 50，所以很适合刻蚀，所以很适合刻蚀 SiO2 上的上的 Si 或或多晶多晶 Si。在在 CF4 中掺入少量其它气体可改变刻蚀选择比。掺入少量中掺入少量其它气体

10、可改变刻蚀选择比。掺入少量氧气可提高对氧气可提高对 Si 的刻蚀速率的刻蚀速率；掺入少量氢气则可提高对；掺入少量氢气则可提高对 SiO2的刻蚀速率，从而适合刻蚀的刻蚀速率，从而适合刻蚀 Si 上的上的 SiO2。二、等离子体刻蚀反应器二、等离子体刻蚀反应器二、等离子体刻蚀反应器二、等离子体刻蚀反应器 1 1、圆筒式反应器、圆筒式反应器、圆筒式反应器、圆筒式反应器 这种这种反应器最早被用于去胶，采用的刻蚀气体是反应器最早被用于去胶，采用的刻蚀气体是 O2。后来后来又利用又利用 F 基气体来刻蚀硅基材料基气体来刻蚀硅基材料。屏蔽筒的作用是避免屏蔽筒的作用是避免晶片与晶片与等离子体接触而产生损伤，同

11、时可使刻蚀均匀。等离子体接触而产生损伤，同时可使刻蚀均匀。Vacuum pumpGas inRF electrodeRFgeneratorWafersQuartz boatWafersReaction chamber 典型工艺条件典型工艺条件典型工艺条件典型工艺条件 射频频率：射频频率：13.56 MHz 射频功率：射频功率：300 600 W 工作气体：工作气体：O2（去胶）去胶）F 基（刻蚀基（刻蚀 Si、Poly-Si、Si3N4 等）等）F 基基+H2（刻蚀刻蚀 SiO2 等）等）气压（真空度）：气压（真空度）：0.1 10 Torr 分辨率：分辨率：2 m 1、为各向同性腐蚀，存在侧

12、向钻蚀，分辨率不高；为各向同性腐蚀，存在侧向钻蚀，分辨率不高；3、均匀性差；、均匀性差；4、不适于刻蚀、不适于刻蚀 SiO2 和和 Al。筒式等离子体刻蚀反应器的筒式等离子体刻蚀反应器的 缺点缺点缺点缺点 2、负载效应大，刻蚀速率随刻蚀面积的增大而减小；、负载效应大，刻蚀速率随刻蚀面积的增大而减小；2 2、平板式、平板式、平板式、平板式反应器反应器反应器反应器射频源射频源阴极阴极阳极阳极气体气体 硅片放在阳极上。这种刻蚀硅片放在阳极上。这种刻蚀以以化学刻蚀为主，也有微弱的化学刻蚀为主，也有微弱的物理物理溅射溅射刻蚀作用。离子的能量可以促进原子团与硅片之间的刻蚀作用。离子的能量可以促进原子团与硅

13、片之间的化学反应，提高刻蚀化学反应，提高刻蚀速率，同时使速率，同时使刻蚀具有一定的刻蚀具有一定的各向异性，各向异性，使分辨率有所提高。使分辨率有所提高。非挥发性的反应产物在侧壁的淀积也可实现一定程度的各非挥发性的反应产物在侧壁的淀积也可实现一定程度的各向异性向异性刻蚀刻蚀。典型工艺条件典型工艺条件典型工艺条件典型工艺条件 射频频率：射频频率：13.56 MHz 工作气体：工作气体：F 基、基、Cl 基（可加少量基（可加少量 He、Ar、H2、O2 等）等）气压：气压：10-2 1 Torr 分辨率：分辨率：0.5 1 m 离子铣刻蚀离子铣刻蚀离子铣刻蚀离子铣刻蚀 又称为又称为 离子束溅射刻蚀离

14、子束溅射刻蚀离子束溅射刻蚀离子束溅射刻蚀。11.5 离子铣离子铣 一、离子溅射刻蚀机理一、离子溅射刻蚀机理一、离子溅射刻蚀机理一、离子溅射刻蚀机理 一次溅射：一次溅射：入射离子直接将晶格位置上的原子碰撞出来。入射离子直接将晶格位置上的原子碰撞出来。入射离子以高速撞击固体表面，当传递给固体原子的能量入射离子以高速撞击固体表面，当传递给固体原子的能量超过其结合能（几到几十电子伏特）时，固体原子就会脱离其超过其结合能（几到几十电子伏特）时，固体原子就会脱离其晶格位置而被溅射出来。这是一种晶格位置而被溅射出来。这是一种 纯粹的物理过程纯粹的物理过程纯粹的物理过程纯粹的物理过程。二次溅射：二次溅射：被入

15、射离子碰撞出来的晶格原子，若具有足够被入射离子碰撞出来的晶格原子，若具有足够的能量时，可再将其它晶格原子碰撞出来。的能量时，可再将其它晶格原子碰撞出来。选择离子的原则选择离子的原则选择离子的原则选择离子的原则 令令 ，可得，可得 ，且，且 ，这时靶原子，这时靶原子可获得最大能量，即可获得最大能量，即 。所以为获得最好的溅射效果，。所以为获得最好的溅射效果，应选择入射离子使其质量尽可能接近靶原子。应选择入射离子使其质量尽可能接近靶原子。1、质量、质量 质量为质量为 M2 的靶原子从质量为的靶原子从质量为 M1 的入射离子获得的能量为的入射离子获得的能量为 2、要求入射离子对被刻蚀材料的影响尽量小

16、、要求入射离子对被刻蚀材料的影响尽量小 3、容易获得、容易获得 例如，若要对例如，若要对 SiO2 进行溅射加工，根据要求进行溅射加工，根据要求 2，入射离子，入射离子应在惰性气体离子应在惰性气体离子 Ar+、Kr+和和 Xe+中选择，又因中选择，又因 Si 原子和原子和 O2 分子的原子量分别是分子的原子量分别是 28 和和 32，而，而 Ar+、Kr+和和 Xe+的原子量分的原子量分别是别是 40、84 和和 131，所以采用，所以采用 ArAr+离子的效果是最好的。而且离子的效果是最好的。而且Ar+离子也是相对比较容易获得的。离子也是相对比较容易获得的。相对溅射率：相对溅射率：在单位离子在单位离子束电流密度下，单位时间内加束电流密度下，单位时间内加工表面的减薄量，记为工表面的减薄量，记为 溅射率与入射角的关系溅射率与入射角的关系溅射率与入射角的关系溅射率与入射角的关系 入射角：入射角：靶平面法线与入射离子束的夹角，记为靶平面法线与入射离子束的夹角，记为 。溅射率：溅射率：由一个入射离子溅射出来的原子或分子的数目，由一个入射离子溅射出来的原子或分子的数目，也称为溅射产率，记为也称为