刻蚀技术

刻蚀，英文为Etch，它是半导体制造工艺，微电子IC制造工艺以及微纳制造工艺中的一种相当重要的步骤。是与光刻 [1] 相联系的图形化(pattern)处理的一种主要工艺。所谓刻蚀，实际上狭义理解就是光刻腐蚀，先通过光刻将光刻胶进行光刻曝光处理，然后通过其它方式实现腐蚀处理掉所需除去的部分。刻蚀是用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程，其基本目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩模图形。随着微制造工艺的发展，广义上来讲，刻蚀成了通过溶液、反应离子或其它机械方式来剥离、去除材料的一种统称，成为微加工制造的一种普适叫法。

刻蚀最简单最常用分类是：干法刻蚀和湿法刻蚀。显而易见，它们的区别就在于湿法使用溶剂或溶液来进行刻蚀。湿法刻蚀是一个纯粹的化学反应过程，是指利用溶液与预刻蚀材料之间的化学反应来去除未被掩蔽膜材料掩蔽的部分而达到刻蚀目的。其特点是：湿法刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低缺点是：钻刻严重、对图形的控制性较差，不能用于小的特征尺寸;会产生大量的化学废液干法刻蚀种类很多，包括光挥发、气相腐蚀、等离子体腐蚀等。按照被刻蚀的材料类型来划分，干法刻蚀主要分成三种：金属刻蚀、介质刻蚀和硅刻蚀 [2] 。介质刻蚀是用于介质材料的刻蚀，如二氧化硅。干法刻蚀优点是：各向异性好，选择比高，可控性、灵活性、重复性好，细线条操作安全，易实现自动化，无化学废液，处理过程未引入污染，洁净度高。缺点是：成本高，设备复杂。干法刻蚀主要形式有纯化学过程(如屏蔽式，下游式，桶式)，纯物理过程(如离子铣)，物理化学过程，常用的有反应离子刻蚀RIE，离子束辅助自由基刻蚀ICP等 [3] 。干法刻蚀方式很多，一般有：溅射与离子束铣蚀， 等离子刻蚀(Plasma Etching)，高压等离子刻蚀，高密度等离子体(HDP)刻蚀，反应离子刻蚀(RIE)。另外，化学机械抛光CMP，剥离技术等等也可看成是广义刻蚀的一些技术。有图形的光刻胶层在刻蚀中不受到腐蚀源显著的侵蚀，这层掩蔽膜用来在刻蚀中保护硅片上的特殊区域而选择性地刻蚀掉未被光刻胶保护地区域

刻蚀还可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。刻蚀的机制，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。所以整个刻蚀，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。整个刻蚀的时间，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，整个刻蚀之快慢也卡在该者，故有所谓「reaction limited」与「diffusion limited」两类刻蚀之分。

湿刻蚀最普遍、也是设备成本最低的刻蚀方法。其影响被刻蚀物之刻蚀速率 (etching rate) 的因素有三：刻蚀液浓度、刻蚀液温度、及搅拌 (stirring) 之有无。定性而言，增加刻蚀温度与加入搅拌，均能有效提高刻蚀速率;但浓度之影响则较不明确。举例来说，以49%的HF刻蚀SiO2，当然比BOE (Buffered-Oxide- Etch;HF：NH4F =1：6) 快的多;但40%的KOH刻蚀Si的速率却比20%KOH慢! 湿刻蚀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。一个选用湿刻蚀配方的重要观念是「选择性」(selectivity)，意指进行刻蚀时，对被蚀物去除速度与连带对其他材质 (如刻蚀掩膜;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刻蚀系统，应该只对被加工薄膜有腐蚀作用，而不伤及一旁之刻蚀掩膜或其下的基板材料。(1)等向性刻蚀 (isotropic etching)大部份的湿刻蚀液均是等向性，换言之，对刻蚀接触点之任何方向腐蚀速度并无明显差异。故一旦定义好刻蚀掩膜的图案，暴露出来的区域，便是往下腐蚀的所在;只要刻蚀配方具高选择性，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，刻蚀掩膜图案边缘的部位渐与刻蚀液接触，故刻蚀液也开始对刻蚀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，湿刻蚀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)非等向性刻蚀 (anisotropic etching)先前提到之湿刻蚀「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。

干刻蚀干刻蚀是一类较新型，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刻蚀加工。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;而干刻蚀采用的气体，或轰击质量颇巨，或化学活性极高，均能达成刻蚀的目的。干刻蚀基本上包括「离子轰击」(ion-bombardment)与「化学反应」(chemical reaction) 两部份刻蚀机制。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。干刻蚀法可直接利用光阻作刻蚀之阻绝遮幕，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刻蚀率两种优点，换言之，本技术中所谓「活性离子刻蚀」(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。