ICP刻蝕技術(shù)

電感耦合等離子體刻蝕（ICP，Inductively Couple Plasma）刻蝕工作原理是：用高頻火花引燃時，部分Ar工作氣體被電離，產(chǎn)生的電子和氬離子在高頻電磁場中被加速，它們與中性原子碰撞，使更多的工作氣體電離，形成等離子體氣體。導(dǎo)電的等離子體氣體在磁場作用下感生出的強大的感生電流產(chǎn)生大量的熱能又將等離子體加熱，使其溫度達到1×10^4K，形成ICP放電。

電感耦合等離子體刻蝕是物理過程和化學(xué)過程共同作用的結(jié)果，在真空低氣壓下，ICP射頻電源產(chǎn)生的射頻輸出到環(huán)形耦合線圈，以一定比例混合的氣體經(jīng)耦合輝光放電，產(chǎn)生高密度的等離子體，在下電極RF射頻作用下，這些等離子對基片表面進行轟擊，基片材料的化學(xué)鍵被打斷，與刻蝕氣體反應(yīng)生成揮發(fā)性物質(zhì)，以氣體形式脫離基片，從真空管路被抽走。

ICP刻蝕的優(yōu)勢：ICP刻蝕技術(shù)具有刻蝕速率快、選擇比高、各向異性高、刻蝕損傷小、大面積均勻性好、刻蝕斷面輪廓可控性高和刻蝕表面平整光滑等優(yōu)點；ICP刻蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、外形小、操作簡便、便于自動控制、適合大面積基片刻蝕。近年來，ICP刻蝕技術(shù)被廣泛應(yīng)用在硅、二氧化硅、III-V族化合物、金屬等材料的刻蝕上

ICP刻蝕相比RIE刻蝕的優(yōu)勢

ICP刻蝕設(shè)備的一般構(gòu)造

電感耦合等離子體（ICP）刻蝕機包括兩套通過自動匹配網(wǎng)絡(luò)控制的13.56MHz 射頻電源，一套連接纏繞在腔室外的螺線圈，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)耦合的電場， 在電場作用下， 刻蝕氣體輝光放電產(chǎn)生高密度等離子體。功率的大小直接影響等離子體的電離率， 從而影響等離子體的密度。第二套射頻電源連接在腔室內(nèi)下方的電極上，主要為等離子提供能量。這樣兩套RF電源的配置，使得在低離子能量條件下，可以增加離子密度，從而提高刻蝕速率的同時，保證對晶片的損傷降到Z低。

刻蝕的基本要求

（1）負載效應(yīng)

刻蝕中還存在負載效應(yīng)，即發(fā)生刻蝕速率變慢的情況。分為宏觀負載效應(yīng)和微觀負載效應(yīng)?？涛g面積很大時，因為氣體傳輸受限和刻蝕氣體耗盡，刻蝕速率會較慢，這稱為宏觀負載效應(yīng)。在微細圖形的局部區(qū)域內(nèi)， 被刻蝕材料的密度過高造成刻蝕氣體耗盡的情況稱為微觀負載效應(yīng)。

（2）圖形保真度

設(shè)橫向刻蝕速率為V1，縱向刻蝕速率為V2，通常用A 表示刻蝕的各向異性刻蝕的程度，定義如下：

A=1，表示圖形轉(zhuǎn)移中沒有失真， 刻蝕具有很好的各向異性。A=0，圖形失真情況嚴(yán)重，刻蝕為各向同性。

（3）均勻性

在材料制備時， 薄膜厚度一般有一定的不均勻性， 而刻蝕時同一襯底片的不同位置的刻蝕速率也不同。這些都會造成圖形轉(zhuǎn)移的不均勻。

刻蝕的均勻性在很大程度上依賴于設(shè)備的硬件參數(shù)， 如反應(yīng)室的設(shè)置， 氣流， 離子濃度等均勻性情況。其次是工藝參數(shù)的影響。

對于大襯底的刻蝕， 如果刻蝕時間不夠， 膜厚處沒有刻蝕完全；但是刻蝕時間太長，膜薄處會造成過刻蝕，實際情況中需要綜合考慮。也可以在被刻蝕材料的下層制備截止層，截止層選用和被刻蝕材料有很高選擇比的材料， 這樣可以加長刻蝕時間， 保證膜厚處被刻蝕干凈，膜薄處也不會造成明顯的過刻蝕。

除了同一樣片不同位置的均勻性問題， 同一刻蝕條件不同樣片的刻蝕均勻性（也稱重復(fù)性）也很重要。重復(fù)性與反應(yīng)室的狀況有很大的關(guān)聯(lián)性。

（4）表面形貌

一般情況下， 刻蝕后的表面形貌都希望側(cè)壁陡直光滑， 刻蝕地面平滑。但對于不同的器件有時也有特殊要求，如需傾斜剖面、微透鏡結(jié)構(gòu)等。

（5）刻蝕的清潔

刻蝕中防止玷污是非常重要的。如果在接觸孔的位置出現(xiàn)重金屬沾污也會造成漏電。對于干法刻蝕，刻蝕表面還會出現(xiàn)聚合物的再淀積。

等離子刻蝕的基本過程

等離子體刻蝕有四種基本的過程，他們分別是物理濺射刻蝕（Sputtering）、純化學(xué)刻蝕（Chemical）、離子增強刻蝕（Ion enhanced energetic）、側(cè)壁抑制刻蝕（Ion enhanced inhibitor）。

1) 物理濺射刻蝕（Sputtering）

濺射工藝是以一定能量的粒子（離子或中性原子、分子）轟擊固體表面，使固體近表面的原子或分子獲得足夠大的能量而Z終逸出固體表面的工藝。等離子體所提供的離子能量約為幾百eV，一般來說會高于濺射產(chǎn)生的閾值（幾十eV）。在等離子提供的能量范圍內(nèi)，濺射率隨著離子本身能量的增大而急劇增加。不同材料的濺射速率在離子能量一定的情況下相差不大，因此濺射是純物理的過程，這個過程選擇性差，速率低。

但是物理濺射刻蝕，離子轟擊具有很強的方向性，使得被刻蝕材料具有很好的各向異性。

2) 純化學(xué)刻蝕（Chemical）

在純化學(xué)刻蝕中，等離子體提供中性的活性基團，這些活性基團與薄膜表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成相應(yīng)的氣相產(chǎn)物。如刻蝕Si材料常用F基氣體，因為會生成易揮發(fā)的SiF4.

化學(xué)刻蝕是各項同性的，活性基團會以近似角分布到達被刻蝕材料表面，反應(yīng)過程中反應(yīng)產(chǎn)物必須是可揮發(fā)的。一般來說化學(xué)刻蝕可以獲得高的速率以及選擇比。

3) 離子增強刻蝕（Ion enhanced energetic）

離子增強刻蝕是物理濺射和化學(xué)刻蝕互相結(jié)合的工藝方式。物理濺射中物理轟擊的作用可以大大增強薄膜表面的化學(xué)反應(yīng)的活性，刻蝕的效果相較單一的物理和化學(xué)刻蝕，效果顯著。等離子體既提供了粒子通量又賦予離子能量。

4) 側(cè)壁抑制刻蝕（Ion enhanced inhibitor）

這種刻蝕方式主要應(yīng)用于深刻蝕，如Bosch工藝，深硅刻蝕運用分子量較大的鈍化氣體C4F8與SF6搭配，刻蝕和鈍化交替進行，實現(xiàn)側(cè)壁垂直的深刻蝕工藝。

影響刻蝕效果的因素

ICP 工藝中影響刻蝕效果的因素很多。工藝參數(shù)里包括源功率、偏壓功率、刻蝕氣體及流量、工作氣壓和溫度等。此外，掩膜的制備和反應(yīng)室內(nèi)壁的情況對刻蝕結(jié)果也有很重要的影響。

1.掩膜的影響

ICP 刻蝕是圖形轉(zhuǎn)移的過程，因此掩膜的制備對刻蝕非常重要。Z常見的掩膜是光刻膠(Photoresist.PR)、SiO2和金屬(如A1、Ni等)。一個好的掩膜要求陡直度較高，邊緣光滑。底部去除干凈無殘留，抗高溫和抗轟擊能力強。

掩膜的陡直度和邊緣的光滑程度直接影響刻蝕剖面的陡直度和側(cè)壁的光滑程度。雖然可以通過工藝參數(shù)的調(diào)整改善刻蝕形貌，但是效果遠不如掩膜質(zhì)量的改善。因此高質(zhì)量的光刻技術(shù)對刻蝕非常重要。

(1)幾乎所有的掩膜制備都需要由光刻制備，光刻膠掩膜的制備Z容易，精度也Z高。但是，光刻膠的抗高溫和抗轟擊能力很差，只能用于低溫工藝，通常選擇比也較低。

(2)硬掩膜

SIO2 和金屬等硬掩膜一般需要光刻膠圖形的二次轉(zhuǎn)移，圖形精度會有所損失。但是它們的抗高溫和抗轟擊能力很好，選擇比高，可以刻蝕更深的深度。

2.工藝參數(shù)的影響

(1)ICP Power 源功率

這個功率源的主要作用是產(chǎn)生高密度等離子體，控制離子通量。功率增加時，離子和活性基密度增加，刻蝕速率也增加。一般情況下，選擇比也會增加。但過高時，均勻性會下降。

同時，源功率增加會帶給襯底更多的熱負荷，襯底溫度會明顯升高，對于需要低溫的工藝影響較大，需要更好的溫控系統(tǒng)。

(2)RF Power 偏壓功率

偏壓功率源主要作用是控制離子轟擊能量。對刻蝕速率和臺階角度影響很大。偏壓功率增加，刻蝕速率明顯增加。但是同時對掩膜的刻蝕也明顯增加，可能導(dǎo)致選擇比下降，臺階形貌變差。偏壓功率過高有時會在臺階底部形成“trenching”溝槽。

(3)工作氣壓

ICP 刻蝕的工作氣壓一般都小于 50mTorr，典型值在幾個 mTorr 至十幾mTorr。在這樣的低氣壓條件下，粒子的平均自由程很長，方向性好，離子轟擊作用也較強。同時，低氣壓也有利于揮發(fā)性刻蝕產(chǎn)物的解吸附，易獲得好的刻蝕結(jié)果。氣壓對均勻性影響很大，氣壓減小時均勻性更好。因此，氣壓減小，刻蝕的各向異性增加，均勻性和臺階角度會更好。

氣壓對刻蝕速率的影響隨刻蝕材料和氣體的不同而有明顯的差異。對于化學(xué)作用較強的工藝，如 GaAs 的刻蝕，氣壓較大時因為活性基和離子密度增加，刻蝕速率和選擇比會有較大增加。而對物理作用較強的工藝，如 SiO2 的刻蝕，氣壓增加時刻飩速率變化不大。

(4)氣體成分和流量

等離子體刻蝕中經(jīng)常使用含多種成分的混合氣體。這些氣體大體可分為三類。第一類是

主要刻蝕反應(yīng)氣體，與被刻蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成揮發(fā)性產(chǎn)物。如 CI2、CF4、SF6 等。

第二類是起抑制作用的氣體,可以在側(cè)壁形成阻擋層,實現(xiàn)高的各向異性刻蝕,如 CHF3、 BCl3、SiCI4、CH4等。

第三類是起稀釋或特殊作用的惰性氣體，如 Ar、He、N2 等。可以增強等離子體的穩(wěn)定性，改善刻蝕均勻性，或增加離子轟擊作用在(如 Ar)來提高各向異性和提高選擇比(如 H2、O2)等。

為了實現(xiàn)不同的刻蝕結(jié)果，平衡每一類氣體的作用(選用合適的流量比)非常重要。如果需要獲得較高的刻鐘速率,應(yīng)選擇和被刻蝕材料反應(yīng)積極并目生成物非常易干揮發(fā)的反應(yīng)類氣體，同時可以適當(dāng)提高其百分比濃度。但是，如果是被刻蝕層偏薄，對下層材料的選擇出又較低的情況，常常提高抑制氣體和稀釋氣體的比例來降低刻蝕速露，以實現(xiàn)對刻鐘終點的精確控制。

(5)溫度

溫度對刻蝕速率的影響主要體現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)速率的變化。因此為了保證刻蝕速率的均勻性和重復(fù)性，必須精確的控制襯底溫度。

高溫可以促進化學(xué)反應(yīng)的進行，同時也有利于揮發(fā)性產(chǎn)物的解吸附。對于刻蝕生成物揮發(fā)溫度較高的工藝，如 InP的刻蝕，高溫會帶來有利的影響，但是對于以光刻膠為掩膜的低溫工藝來說，溫度必須控制在較低的水平。溫度過高時光刻膠會軟化變形，造成刻蝕圖形的偏差。嚴(yán)重時光刻膠會碳化，導(dǎo)致刻蝕后很難去除。如果必須使用較高的襯底溫度，需要改為 SiO2、金屬等硬掩膜。

外加功率在很大程度上會轉(zhuǎn)化為熱量。對于ICP 這種等離子體，功率一般很高，反應(yīng)中襯底溫升很快。如果工藝對溫度非常敏感，在參數(shù)設(shè)置時應(yīng)更加注意。