气体/蒸汽 腐蚀
- 各向同性, 化学, 选择性好
能量
无 10 ~ 100 Watts 100 Watts
压力
高 (760-1 torr) 中 (>100 torr) 低 (10-100 mtorr) 低 (~10 mtorr)
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等离子腐蚀 反应离子腐蚀 溅射腐蚀剂
- 各向同性, 化学, 有选择
- 方向性, 物理 & 化学, 有选择
• 吸附和表面扩散
– 能产生方向选择 (isotropic or anisotropic)
• 反应
– 与温度关系密切 (Arrhenius relationship) – 明显影响腐蚀速率
• 脱附
– 若反应样品不挥发，能停止腐蚀
• 扩散到气体
– 由于未反应腐蚀剂的稀释，导致非均匀腐蚀
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– 对每种腐蚀腔来说，正确的设置还是得依赖经验
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控制 Polymerization (F/C 比)
• F/C-比高，腐蚀速率 高 • F/C-比越低，越容易 形成polymerization • 气体可以控制
• 尽管 CF4 只腐蚀 Si, 当更多的 Si 表面暴露时, 更多的 F 被消耗掉，导致 F/C 减小，腐蚀减慢 • 加入 H2 消耗 F – 易导致 polymerization • 加入 O2 消耗 C – 导致腐蚀
– 来自于气体的原子或离子是腐蚀暴露出的薄膜的 反应物
SF6
HF FOH H+ H 20 SiO2 Wet
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H 2 H 20 SiF4
CF3+ F SF5+ CF2++ CF4 F SiF4 F Si+ F F F F
Dry
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腐蚀速率
• 腐蚀剂的产生
– 若没有腐蚀剂的产生，就没有腐蚀
200 µm
• 腐蚀速率
– Up to ~3 µm / min
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DRIE 掩膜材料
• 选择性
– Silicon/Photoresist: ~70:1 – Silicon/SiO2: ~150:1
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干法刻蚀: 掩膜材料
掩膜材料 Resist CFx Si SiO2 Si3N4 Al/Al2O3 W Au Ti SF6 CHF3 CF4 +/+/+/+ + + ++/+/+/+/+ + + + + + O2 N2 + + + + + + + + + + + + + + + +
– 自由电子被加速
• 能量 = 场 ·L
– 原子的弹性碰撞
• 增加电压和场
阳极 (地)
• 离化气体原子
– – – – 贡献另一个电子 雪崩碰撞 气体击穿 可维持?
E
ecauses: Ar eAr+ eE
– 能量电子离化或激发气 体原子 – 激发的气体原子回到阳 极产生可见的光子(例如, 辉光)
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• RF: 频率 (典型 13.56 MHz)
– 电子在辉光区的震荡需要足够的能量以引起离化 – 气体离子太重，不能响应高频电场的变化
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干法刻蚀工艺的类型
• 断面特征取决于:
– 能量
– 压力 (平均自由程)
– 偏压 – 方向性 – 晶向
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干法刻蚀工艺的类型
腐蚀类型
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DC 等离子体 (辉光放电)
• 雪崩放电
– 当 e- 有足够的能量离化气体原子时产生 – 不是自维持的
• 必须产生电子以维持放电
– 能量离子轰击阴极表面产生二次电子 – 当有足够电子产生时，可维持放电过程 – 因为电场集中在产生电子的阴极处，因此不需高电压
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辉光放电暗区
• 阴极暗区
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时间复用深腐蚀
开始
各向同性 SF6 腐蚀 加各向异性轰击
各向同性Polymer 形成 （C4F8）
SF6 再腐蚀
• 每步的相对长度影响侧墙的斜率
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DRIE 扇形过刻
• 扇形过刻
– 深度 50 ~ 300 nm – 高度 ~1.0 µm
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高选择比
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基于F气体和等离子体的 Si & SiO2 的干法刻蚀
• 是ICs & MEMS的主要刻蚀气体 • CF4 不腐蚀 Si，但 F2 会腐蚀 Si 形成 SiF2 和 SiF4 • 等离子的作用是产生能穿透SiF2类型的表面的F
F F F Surface Si Si Si F Si F F Surface Si F Si F F Si F F F Si+ Si+ F Generates SiF4 gas F F F F Si+2 F Si+ F F Si F Generates SiF2 gas F
新气体 SiCl4Cl2, BCl3Cl2 HBr/O2, HBr/Cl2O2, Br2SF6, SF6 CCl3F2, CHF3,/CF4, CHF3,/O2, CH3CHF2 CF4/O2, CF4/H2, CH3CHF2 HBr, Cl2, BCl3, SiCl4 SF6 (only), NF3 / Cl2 CO, CO2, H2O, HF
– – – – – 大量能量气体离子移向阴极 在阴极产生的二次电子加速离开阴极 靠近阴极部分暗区中的净电贺数为正 产生大电场 (电压跌落很大) 无辉光，原因是 e- 能量很高，主要离化气体原子很少激发电子
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什么是 “干法” 刻蚀?
• 在湿法腐蚀液中, 腐蚀反应剂来自与液体中 • 在 干法 腐蚀中, 腐蚀反应剂来自于气体或气 相源
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深反应离子刻蚀技术 DRIE
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内容
• 等离子形成基础 • 干法刻蚀
– 各向异性
• 深反应离子刻蚀(DRIE)
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等离子产生
• 无外加电压
阴极 (负电压)
– 包含中性原子的气体
• 加应用电压
间距: 15 cm
中性气体原子 (Ar) 压力: 5 mtorr 平均自由程: ~1 cm
100~1000 Watts
- 方向性, 物理, 低选择性
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干法腐蚀: 气体混合
• Chlorofluorocarbons (CFCs)的消除
材料 Si SiO2 Si3N4 Al W Organics
传统气体 Etching: Cl2, BCl3 Passivation: C4F8, CCl4,CHF3 CF4, C2F6, C3F8 CHF3, CCl2F2 Cl2, BCl3, SiCl4 SF6 / Cl2 / CCl4 O2, O2 + CF4
气相干法腐蚀
• 反应气体
– 表面气体吸收, 溶解, 以及反应 XeF2
Adsorb
Xe
F F
• XeF2 腐蚀的特点
– 选择性非常高 – 腐蚀速率快 – 各向同性
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RF 等离子干法刻蚀
Anode
F+eCF4
F+eF+eCathode
F+e-
-Vbias e - + CF4 → CF3+ + F + 2e-
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不挥发残留物的淀积
• CF4-H2 等离子会在样品表面淀积含碳残留物 (不挥 发)
– 称为 POLYMERIZATION
• SiO2 表面形成的残留比Si 表面少
– 一些碳和SiO2中的 O2 反应形成可挥发的 CO 和 CO2
• 控制Si 和 SiO2 相对腐蚀速率可有效控制选择性
1 Generation of Etchant Species 6 Diffusion to Bulk Gas
• 扩散到表面
– 腐蚀剂必须到表面才能和膜反应或腐蚀 – 运动到表面的方式将影响到选择比, 过刻, 和均匀性
2 Diffusion to Surface 3 Adsorption 4 Reaction 5 Desorption
• 光刻胶较好 • Oxides 和 某些metals 也不错
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干法刻蚀的各向异性
• 若腐蚀是纯化学的，则是各向同性的 • 离子轰击以损伤表面可以提高腐蚀速率 – 产生断裂键 • 正离子加速到达阴极 (-V)
• SiO2 不被腐蚀，除轰击外 (垂直) • 导致不同的腐蚀形貌 (侧边)
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干法刻蚀的各向异性
• 当 H2 加入到 CF4中, Si的 腐蚀速率降到零 • 当偏压增加, 腐蚀速率也增 加 • 结合这两种效应，可以实现 非常好的各向异性腐蚀