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在半導(dǎo)體微納制造工藝中常用到刻蝕工藝,刻蝕工藝是在晶圓的表面利用化學(xué)的方法選擇性的去除待刻蝕材料?？涛g工藝的一般步驟是用掩膜材料保護(hù)部分晶圓,以阻擋下面的材料被刻蝕掉,其中掩膜材料可以是通過光刻形成的光刻膠,也可以是更耐久的材料如Si3N4等。掩膜形成后,利用刻蝕劑對(duì)樣品進(jìn)行刻蝕。待刻蝕完成后,選擇合適的方法去除掩膜材料即完成整個(gè)刻蝕工藝。

刻蝕分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩種。濕法刻蝕使用的是液態(tài)刻蝕劑,將待刻蝕的樣品浸入刻蝕劑中,該過程必須攪動(dòng)以達(dá)到更好的刻蝕過程控制。濕法刻蝕通常是各向同性的,當(dāng)刻蝕較厚的薄膜時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大橫向刻蝕距離。同時(shí),濕法刻蝕也產(chǎn)生大量的有毒廢液。由于上述原因,現(xiàn)代半導(dǎo)體制造工藝很少采用濕法刻蝕。

干法刻蝕技術(shù)可實(shí)現(xiàn)被刻蝕材料從各項(xiàng)同性刻蝕到各項(xiàng)異性刻蝕的不同刻蝕效果,具有良好的刻蝕穩(wěn)定性及重復(fù)性,因此是制作高精度電子電路的重要刻蝕技術(shù)。干法刻蝕技術(shù)包括等離子體刻蝕技術(shù)、反應(yīng)性離子刻蝕技術(shù)、電感耦合等離子體技術(shù)以及電子回旋等離子體刻蝕技術(shù)等。其中,電感耦合等離子刻蝕技術(shù)由于兼具高等離子體密度和低離子轟擊能量而收到廣泛關(guān)注。

電感耦合等離子刻蝕機(jī)原理

圖1展示了電感耦合等離子刻蝕機(jī)(Inductively Coupled Plasma Etching,ICP)的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)示意圖。該刻蝕系統(tǒng)主要由兩路射頻源組成,分別為ICP射頻源和反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching,RIE)射頻源。其中ICP射頻源利用高頻的交變電磁場(chǎng)將通入的反應(yīng)氣體電離成等離子體,產(chǎn)生輝光放電。RIE射頻源則負(fù)責(zé)吸引等離子體轟擊待刻蝕樣品表面,從而達(dá)到刻蝕效果。通過調(diào)節(jié)ICP功率可以控制等離子體的密度,調(diào)整RIE功率則可改變等離子體對(duì)樣品的轟擊能量。此外,在刻蝕過程中,樣品與刻蝕載片通過導(dǎo)熱性較強(qiáng)的泵油連接,并通過不斷向刻蝕載片背部通入氦氣來(lái)進(jìn)行冷卻,以確保刻蝕過程中溫度的穩(wěn)定。氦氣的氣壓和流量可以進(jìn)行調(diào)節(jié),從而控制樣品的冷卻效果,并可根據(jù)需要選擇是否使用泵油來(lái)進(jìn)一步控制刻蝕片的溫度積累。ICP的刻蝕過程通常同時(shí)涉及化學(xué)反應(yīng)和物理轟擊兩個(gè)過程,因此,可以通過控制反應(yīng)氣體的比例來(lái)優(yōu)化這兩種過程的相對(duì)強(qiáng)度,以達(dá)到理想的刻蝕效果。

圖1 ICP電感耦合等離子刻蝕系統(tǒng)示意圖  

電感耦合等離子刻蝕優(yōu)點(diǎn)

電感耦合等離子刻蝕機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn):分開的電感耦合等離子射頻發(fā)生器和電極射頻發(fā)生器,可提供對(duì)離子濃度和強(qiáng)度的分開控制;高傳導(dǎo)率的氣泵端口為最快的刻蝕速率提供高的氣體量;靜電屏蔽消除了電容耦合,減小了對(duì)器件的電損傷,減少了反映腔體的顆粒數(shù)量;系統(tǒng)同時(shí)具備氦氣冷卻裝置,可提供優(yōu)異的溫度控制。電感耦合等離子刻蝕相對(duì)于反應(yīng)離子刻蝕相比,在刻蝕的性能上有以下優(yōu)勢(shì):通過更高的離子密度和更高的基團(tuán)密度獲得更高的刻蝕速率;較低的離子能量能夠更好地控制選擇比和損傷;較高的離子濃度和低壓的腔體環(huán)境,可以得到更好的刻蝕形貌;對(duì)感應(yīng)耦合等離子體和電極射頻的分開控制提供了更高的工藝靈活性。