ICP电感耦合等离子刻蚀机原理及优势-plasma etching

在半导体微纳制造工艺中常用到刻蚀工艺,刻蚀工艺是在晶圆的表面利用化学的方法选择性的去除待刻蚀材料。刻蚀工艺的一般步骤是用掩膜材料保护部分晶圆,以阻挡下面的材料被刻蚀掉,其中掩膜材料可以是通过光刻形成的光刻胶,也可以是更耐久的材料如Si3N4等。掩膜形成后,利用刻蚀剂对样品进行刻蚀。待刻蚀完成后,选择合适的方法去除掩膜材料即完成整个刻蚀工艺。

刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀两种。湿法刻蚀使用的是液态刻蚀剂,将待刻蚀的样品浸入刻蚀剂中,该过程必须搅动以达到更好的刻蚀过程控制。湿法刻蚀通常是各向同性的,当刻蚀较厚的薄膜时会产生很大横向刻蚀距离。同时,湿法刻蚀也产生大量的有毒废液。由于上述原因,现代半导体制造工艺很少采用湿法刻蚀。

干法刻蚀技术可实现被刻蚀材料从各项同性刻蚀到各项异性刻蚀的不同刻蚀效果,具有良好的刻蚀稳定性及重复性,因此是制作高精度电子电路的重要刻蚀技术。干法刻蚀技术包括等离子体刻蚀技术、反应性离子刻蚀技术、电感耦合等离子体技术以及电子回旋等离子体刻蚀技术等。其中,电感耦合等离子刻蚀技术由于兼具高等离子体密度和低离子轰击能量而收到广泛关注。

电感耦合等离子刻蚀机原理

图1展示了电感耦合等离子刻蚀机(InductivelyCoupledPlasmaEtching,ICP)的简要结构示意图。该刻蚀系统主要由两路射频源组成,分别为ICP射频源和反应离子刻蚀(ReactiveIonEtching,RIE)射频源。其中ICP射频源利用高频的交变电磁场将通入的反应气体电离成等离子体,产生辉光放电。RIE射频源则负责吸引等离子体轰击待刻蚀样品表面,从而达到刻蚀效果。通过调节ICP功率可以控制等离子体的密度,调整RIE功率则可改变等离子体对样品的轰击能量。此外,在刻蚀过程中,样品与刻蚀载片通过导热性较强的泵油连接,并通过不断向刻蚀载片背部通入氦气来进行冷却,以确保刻蚀过程中温度的稳定。氦气的气压和流量可以进行调节,从而控制样品的冷却效果,并可根据需要选择是否使用泵油来进一步控制刻蚀片的温度积累。ICP的刻蚀过程通常同时涉及化学反应和物理轰击两个过程,因此,可以通过控制反应气体的比例来优化这两种过程的相对强度,以达到理想的刻蚀效果。

图1 ICP电感耦合等离子刻蚀系统示意图

电感耦合等离子刻蚀优点

电感耦合等离子刻蚀机具有以下优点:分开的电感耦合等离子射频发生器和电极射频发生器,可提供对离子浓度和强度的分开控制;高传导率的气泵端口为最快的刻蚀速率提供高的气体量;静电屏蔽消除了电容耦合,减小了对器件的电损伤,减少了反映腔体的颗粒数量;系统同时具备氦气冷却装置,可提供优异的温度控制。电感耦合等离子刻蚀相对于反应离子刻蚀相比,在刻蚀的性能上有以下优势:通过更高的离子密度和更高的基团密度获得更高的刻蚀速率;较低的离子能量能够更好地控制选择比和损伤;较高的离子浓度和低压的腔体环境,可以得到更好的刻蚀形貌;对感应耦合等离子体和电极射频的分开控制提供了更高的工艺灵活性。