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在半導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的方法選擇性的去除待刻蝕材料。刻蝕工藝的一般步驟是用掩膜材料保護部分晶圓,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,利用刻蝕劑對樣品進行刻蝕。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刻蝕劑,將待刻蝕的樣品浸入刻蝕劑中,該過程必須攪動以達到更好的刻蝕過程控制。濕法刻蝕通常是各向同性的,當刻蝕較厚的薄膜時會產生很大橫向刻蝕距離。同時,濕法刻蝕也產生大量的有毒廢液。由于上述原因,現代半導體制造工藝很少采用濕法刻蝕。

干法刻蝕技術可實現被刻蝕材料從各項同性刻蝕到各項異性刻蝕的不同刻蝕效果,具有良好的刻蝕穩定性及重復性,因此是制作高精度電子電路的重要刻蝕技術。干法刻蝕技術包括等離子體刻蝕技術、反應性離子刻蝕技術、電感耦合等離子體技術以及電子回旋等離子體刻蝕技術等。其中,電感耦合等離子刻蝕技術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注。

電感耦合等離子刻蝕機原理

圖1展示了電感耦合等離子刻蝕機(Inductively Coupled Plasma Etching,ICP)的簡要結構示意圖。該刻蝕系統主要由兩路射頻源組成,分別為ICP射頻源和反應離子刻蝕(Reactive Ion Etching,RIE)射頻源。其中ICP射頻源利用高頻的交變電磁場將通入的反應氣體電離成等離子體,產生輝光放電。RIE射頻源則負責吸引等離子體轟擊待刻蝕樣品表面,從而達到刻蝕效果。通過調節ICP功率可以控制等離子體的密度,調整RIE功率則可改變等離子體對樣品的轟擊能量。此外,在刻蝕過程中,樣品與刻蝕載片通過導熱性較強的泵油連接,并通過不斷向刻蝕載片背部通入氦氣來進行冷卻,以確保刻蝕過程中溫度的穩定。氦氣的氣壓和流量可以進行調節,從而控制樣品的冷卻效果,并可根據需要選擇是否使用泵油來進一步控制刻蝕片的溫度積累。ICP的刻蝕過程通常同時涉及化學反應和物理轟擊兩個過程,因此,可以通過控制反應氣體的比例來優化這兩種過程的相對強度,以達到理想的刻蝕效果。

圖1 ICP電感耦合等離子刻蝕系統示意圖  

電感耦合等離子刻蝕優點

電感耦合等離子刻蝕機具有以下優點:分開的電感耦合等離子射頻發生器和電極射頻發生器,可提供對離子濃度和強度的分開控制;高傳導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,減小了對器件的電損傷,減少了反映腔體的顆粒數量;系統同時具備氦氣冷卻裝置,可提供優異的溫度控制。電感耦合等離子刻蝕相對于反應離子刻蝕相比,在刻蝕的性能上有以下優勢:通過更高的離子密度和更高的基團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境,可以得到更好的刻蝕形貌;對感應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。