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刻蚀技术

王朝百科·作者佚名  2010-05-28
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刻蚀技术(etching technique),是在半导体工艺中,按照掩模图形或设计要求对半导体衬底表面或表面覆盖薄膜进行选择性腐蚀或剥离的技术。

普通的刻蚀过程大致如下:先在表面涂敷一层光致抗蚀剂,然后透过掩模对抗蚀剂层进行选择性曝光,由于抗蚀剂层的已曝光部分和未曝光部分在显影液中溶解速度不同,经过显影后在衬底表面留下了抗蚀剂图形,以此为掩模就可对衬底表面进行选择性腐蚀。如果衬底表面存在介质或金属层,则选择腐蚀以后,图形就转移到介质或金属层上。

由于曝光束不同,刻蚀技术可以分为光刻蚀(简称光刻)、X射线刻蚀、电子束刻蚀和离子束刻蚀,其中离子束刻蚀具有分辨率高和感光速度快的优点,是正在开发中的新型技术。

刻蚀工艺不仅是半导体器件和集成电路的基本制造工艺,而且还应用于薄膜电路、印刷电路和其他微细图形的加工。

刻蚀还可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。

蚀刻的机制,按发生顺序可概分为「反应物接近表面」、「表面氧化」、「表面反应」、「生成物离开表面」等过程。所以整个蚀刻,包含反应物接近、生成物离开的扩散效应,以及化学反应两部份。整个蚀刻的时间,等于是扩散与化学反应两部份所费时间的总和。二者之中孰者费时较长,整个蚀刻之快慢也卡在该者,故有所谓「reaction limited」与「diffusion limited」两类蚀刻之分。

1、湿蚀刻

最普遍、也是设备成本最低的蚀刻方法。其影响被蚀刻物之蚀刻速率 (etching rate) 的因素有三:蚀刻液浓度、蚀刻液温度、及搅拌 (stirring) 之有无。定性而言,增加蚀刻温度与加入搅拌,均能有效提高蚀刻速率;但浓度之影响则较不明确。举例来说,以49%的HF蚀刻SiO2,当然比BOE (Buffered-Oxide- Etch;HF:NH4F =1:6) 快的多;但40%的KOH蚀刻Si的速率却比20%KOH慢! 湿蚀刻的配方选用是一项化学的专业,对于一般不是这方面的研究人员,必须向该化学专业的同侪请教。一个选用湿蚀刻配方的重要观念是「选择性」(selectivity),意指进行蚀刻时,对被蚀物去除速度与连带对其他材质 (如蚀刻掩膜;etching mask, 或承载被加工薄膜之基板;substrate ) 的腐蚀速度之比值。一个具有高选择性的蚀刻系统,应该只对被加工薄膜有腐蚀作用,而不伤及一旁之蚀刻掩膜或其下的基板材料。

(1)等向性蚀刻 (isotropic etching)

大部份的湿蚀刻液均是等向性,换言之,对蚀刻接触点之任何方向腐蚀速度并无明显差异。故一旦定义好蚀刻掩膜的图案,暴露出来的区域,便是往下腐蚀的所在;只要蚀刻配方具高选择性,便应当止于所该止之深度。

然而有鉴于任何被蚀薄膜皆有其厚度,当其被蚀出某深度时,蚀刻掩膜图案边缘的部位渐与蚀刻液接触,故蚀刻液也开始对蚀刻掩膜图案边缘的底部,进行蚀掏,这就是所谓的下切或侧向侵蚀现象 (undercut)。该现象造成的图案侧向误差与被蚀薄膜厚度同数量级,换言之,湿蚀刻技术因之而无法应用在类似「次微米」线宽的精密制程技术!

(2)非等向性蚀刻 (anisotropic etching)

先前题到之湿蚀刻「选择性」观念,是以不同材料之受蚀快慢程度来说明。然而自1970年代起,在诸如Journal of Electro-Chemical Society等期刊中,发表了许多有关碱性或有机溶液腐蚀单晶硅的文章,其特点是不同的硅晶面腐蚀速率相差极大,尤其是<111>方向,足足比<100>或是<110>方向的腐蚀速率小一到两个数量级!因此,腐蚀速率最慢的晶面,往往便是腐蚀后留下的特定面。

这部份将在体型微细加工时再详述。

2、干蚀刻

干蚀刻是一类较新型,但迅速为半导体工业所采用的技术。其利用电浆 (plasma) 来进行半导体薄膜材料的蚀刻加工。其中电浆必须在真空度约10至0.001 Torr 的环境下,才有可能被激发出来;而干蚀刻采用的气体,或轰击质量颇巨,或化学活性极高,均能达成蚀刻的目的。

干蚀刻基本上包括「离子轰击」(ion-bombardment)与「化学反应」(chemical reaction) 两部份蚀刻机制。偏「离子轰击」效应者使用氩气(argon),加工出来之边缘侧向侵蚀现象极微。而偏「化学反应」效应者则采氟系或氯系气体(如四氟化碳CF4),经激发出来的电浆,即带有氟或氯之离子团,可快速与芯片表面材质反应。

干蚀刻法可直接利用光阻作蚀刻之阻绝遮幕,不必另行成长阻绝遮幕之半导体材料。而其最重要的优点,能兼顾边缘侧向侵蚀现象极微与高蚀刻率两种优点,换言之,本技术中所谓「活性离子蚀刻」(reactive ion etch;RIE) 已足敷「次微米」线宽制程技术的要求,而正被大量使用中。

 
 
 
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