什么是刻蝕？

刻蝕是指通過物理或化學(xué)方法對(duì)材料進(jìn)行選擇性的去除，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖形的一種技術(shù)。蝕刻是半導(dǎo)體制造及微納加工工藝中相當(dāng)重要的步驟，自 1948 年發(fā)明晶體管到現(xiàn)在，在微電子學(xué)和半導(dǎo)體領(lǐng)域中，蝕刻技術(shù)的發(fā)展伴隨著整個(gè)集成電路技術(shù)和化合物半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步。在器件制造過程中需要各種類型的蝕刻工藝，涉及到幾乎所有相關(guān)材料，如介質(zhì)薄膜、硅、金屬、有機(jī)物、III-V 族化合物、甚至光刻膠等。

為什么要刻蝕？

半導(dǎo)體刻蝕的用途有很多，最初晶圓是一個(gè)沒有任何功能的硅片，如何將這個(gè)平板進(jìn)行改造成需要的結(jié)構(gòu)？這就需要對(duì)晶圓微加工了。

舉個(gè)刻蝕工藝在攝像頭中應(yīng)用的例子。今年小米發(fā)布了Xiaomi 13 Ultra.雷布斯在發(fā)布會(huì)上對(duì)13 Ultra的拍照功能贊不絕口，這個(gè)手機(jī)的拍照功能確實(shí)很強(qiáng)大，下面幾張圖是從小米官網(wǎng)上看到的。

那么小米13 Ultra的徠卡相機(jī)是如何成像的呢？手機(jī)攝像頭芯片會(huì)把所拍攝的景象進(jìn)行分割，比如一幅山水畫，進(jìn)行分割后是下面這樣：

攝像頭的像素就是根據(jù)分割的單元多少進(jìn)行計(jì)算的，上面這張圖橫向有4個(gè)像元，縱向也是4個(gè)像元，相乘是16，也就是16像素的圖片。如果要將一幅圖看的足夠清晰，那就需要將圖片劃分為更小的單元格。假如橫坐標(biāo)劃分成1000個(gè)像元，縱坐標(biāo)也劃分成1000個(gè)像元，那就是百萬像素的攝像頭。將攝像頭芯片劃分為小單元格的方法就是刻蝕。下圖是一張刻蝕完成后的半導(dǎo)體芯片局部細(xì)節(jié)圖片:

半導(dǎo)體刻蝕后的顯微結(jié)構(gòu)有點(diǎn)像南方的農(nóng)田，在一大片農(nóng)田里用農(nóng)機(jī)設(shè)備加工整齊的溝渠，農(nóng)田被劃分為一塊一塊方正的單元，在單元農(nóng)田上種水稻或小麥。

半導(dǎo)體刻蝕方法

蝕刻可分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩種，為了便于理解，再舉一個(gè)例子。

我們?cè)谙丛钑r(shí)，有兩種洗法，一種是北方洗法，澡堂里放一池子水，人往池子里一泡，開始搓澡。我們?nèi)矶冀佑|到了洗澡水，這種叫做濕法。因?yàn)樗诟鱾€(gè)地方都有接觸，無差別接觸，術(shù)語叫做各向同性。

另外一種就是南方洗法，一個(gè)小房間放一個(gè)噴頭，想洗胳膊就噴一下胳膊，洗大腿就噴一下大腿，精準(zhǔn)的控制清洗的地方，這種叫做干法。不是每個(gè)地方都接觸到了水，這種叫做各向異性。

另外，當(dāng)我們胳膊上有傷口時(shí)，洗澡時(shí)不希望傷口接觸到水，可以選擇在傷口上貼上防水貼，有防水貼的地方不會(huì)被淋濕。在半導(dǎo)體刻蝕前，也會(huì)選擇一些地方不刻蝕，采用的辦法就是涂光刻膠來保護(hù)半導(dǎo)體表面，這就是光刻與刻蝕經(jīng)常同步出現(xiàn)的原因。

什么是濕法刻蝕？

濕法腐蝕是化合物半導(dǎo)體器件制作中一種不可或缺的工藝技術(shù)，主要原理是腐蝕溶液與浸漬在腐蝕液中的材料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成可溶解的生成物，從而將需要腐蝕的區(qū)域去除。

它一般在光刻膠的保護(hù)下，對(duì)材料進(jìn)行腐蝕，清洗去除光刻膠后得到最終圖形。在對(duì)半導(dǎo)體晶圓材料硅或者氧化硅腐蝕時(shí)，通常選擇HNO3或HF，反應(yīng)式如下：

Si + 4HNO3 → SiO2 + 2H2O + 4NO2.SiO2+ 6HF → H2SiF6 +2H2O.

也就是把晶圓丟在HNO3或HF里泡一泡，讓強(qiáng)酸去除晶圓上的某部分。濕法腐蝕的工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、光刻掩膜制備技術(shù)成熟且通用、光刻膠在腐蝕液中的選擇比一般很高，利于選擇性腐蝕。腐蝕速率決定于腐蝕劑的活性和腐蝕產(chǎn)物的溶解擴(kuò)散性。

但濕法腐蝕具有自然的腐蝕各向同性，掩膜下的下切使它不適合做小于2微米的圖形，濕法腐蝕過程中還會(huì)形成氣泡，氣泡附著的地方就會(huì)導(dǎo)致腐蝕終止。另外濕法腐蝕還有一些其它的問題，比如因暴露在化學(xué)和生成的氣體中所帶來的安全上的危害，還有化學(xué)排放需要廢物處理造成的環(huán)境上的危害。

什么是干法刻蝕？

相對(duì)濕法腐蝕而言，干法刻蝕的優(yōu)勢(shì)較明顯，干法刻蝕具有各向異性，可以從根本上改善橫向鉆蝕等問題。干法刻蝕分為三種，物理刻蝕、化學(xué)刻蝕和物理化學(xué)刻蝕。

下面是幾種常用于工業(yè)制備的刻蝕技術(shù)，其中包括離子束刻蝕（Ion Beam Etching，IBE）、反應(yīng)離子刻蝕（Reactive Ion Etching，RIE）、以及后來基于高密度等離子體反應(yīng)離子的電子回旋共振等離子體刻蝕（Electron Cyclotron Resonance，ECR）和電感耦合等離子體刻蝕（Inductively Coupled Plasma，ICP）。

什么是等離子體？

等離子體是正離子和電子的密度大致相等的電離氣體，由離子、電子、自由激進(jìn) 分子、光子以及中性粒子組成，是物質(zhì)的第四態(tài)。舉個(gè)例子，我們都知道原子有原子核和外面的電子組成，類似我們買的核桃，有核桃和外面的殼。正常情況下，殼里面包著核桃。給核桃加一個(gè)外力，把核桃和殼分開，核桃?guī)д姡瑲ж?fù)電，許多核桃和核桃殼組成的一堆物質(zhì)，稱為等離子核桃。

(1)IBE干法刻蝕：

IBE 又被稱為離子銑，是上個(gè)世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的一種純物理刻蝕技術(shù)，其原理是利用惰性氣體（例如 Ar，Xe 等）產(chǎn)生的離子束經(jīng)加速電壓作用后高速轟擊靶材表面，轟擊過程中離子束不斷的將能量傳遞給材料表面原子，當(dāng)表面原子積累的能量大于其自身結(jié)合能時(shí)，則會(huì)脫離固體表面發(fā)生濺射，從而達(dá)到刻蝕的目的，其原理示意圖下圖所示。

該技術(shù)采用加速電壓控制離子束的方向及能量，因而刻蝕表現(xiàn)出極好的各向異性和速率可控性，加之其完全屬于純物理刻蝕，可應(yīng)用的材料范圍也非常廣，至今在刻蝕化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定的材料（例如陶瓷、某些金屬等）時(shí)依然發(fā)揮著重要作用。但正因?yàn)槿绱?，該技術(shù)的掩膜選擇比往往較低，在刻蝕較深的溝槽時(shí)需要采用很厚的掩膜而影響刻蝕精度；且高速轟擊的離子束容易造成表面晶格損傷，給器件帶來不可避免的電學(xué)損傷。

(2)RIE干法刻蝕：

RIE 是在 IBE 基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一類化學(xué)反應(yīng)為主、離子物理轟擊為輔的干法刻蝕技術(shù)。與 IBE 相比，RIE 具有更高的刻蝕速率且同時(shí)也表現(xiàn)出優(yōu)異的各向異性以及大面積均勻性，是目前微納加工過程中使用最為廣泛的刻蝕技術(shù)之一。其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示，當(dāng)在平行板電極系統(tǒng)兩側(cè)施加射頻電壓時(shí)，腔室內(nèi)的電子會(huì)加速轟擊反應(yīng)氣體導(dǎo)致其發(fā)生電離，電離過程中會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生自由電子繼續(xù)參與碰撞，直至達(dá)到平衡的輝光放電狀態(tài)，在平行板一側(cè)形成穩(wěn)定的等離子體。

一般而言，RIE刻蝕需要反應(yīng)生成物具有一定的揮發(fā)性，以便在刻蝕過程中能及時(shí)有效的被真空系統(tǒng)抽離，從而避免二次沉積從而保持刻蝕的高精度。在 RIE 刻蝕系統(tǒng)中，射頻電場(chǎng)的 RF 功率直接決定了等離子體的濃度以及加速偏置電壓的大小，繼而可以控制刻蝕速率。但遺憾的是，RIE 在提高等離子密度的同時(shí)也會(huì)提高加速偏置電壓，加速轟擊離子使其具有較高的能量，可能會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生晶格損傷，同時(shí)也降低了掩膜選擇比，因此在刻蝕應(yīng)用中還是具有一定限制。隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，晶體管的尺寸不斷縮小，對(duì)微納加工技術(shù)的精度、深寬比等指標(biāo)提出了更高的要求，由此基于高密度等離子體的干法刻蝕技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為電子信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展帶來了新的曙光。

(3)ECR干法刻蝕：

早期的一種實(shí)現(xiàn)高密度等離子體的方式是基于微波電子回旋共振技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，即 ECR 刻蝕技術(shù)，其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。

該系統(tǒng)從頂部導(dǎo)入高頻微波（~2.5GHz），利用微波與腔體內(nèi)的電子形成共振，并在腔體外側(cè)施加與之頻率匹配的、均勻分布的磁場(chǎng)，使電子發(fā)生回旋共振以獲得較高的能量，從而提高電離率。通過該方法可以得到高于 10E11/cm3 的等離子體密度，較 RIE 至少提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)（10E9~10E10/cm3）。同時(shí)，底部樣品臺(tái)依舊與射頻源相連，通過控制射頻源功率可以獨(dú)立控制等離子體的加速偏置電壓。ECR 刻蝕技術(shù)的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了RIE 刻蝕技術(shù)等離子體密度和偏置電壓不能分別控制的缺點(diǎn)，同時(shí)高密度的等離子體大大提高了刻蝕速率和掩膜選擇比，促進(jìn)了微納加工中超高深寬比刻蝕圖形的實(shí)現(xiàn)。但該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依托于微波源、射頻源、磁場(chǎng)等多個(gè)系統(tǒng)的共同作用，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般都比較復(fù)雜，同時(shí)存在各個(gè)射頻源之間相互調(diào)節(jié)匹配的問題，給實(shí)際操作也帶來一定難度。因此在 ECR 刻蝕技術(shù)提出不久后，又衍生出了新的 ICP 刻蝕技術(shù)。

(4)ICP干法刻蝕：

ICP 刻蝕技術(shù)在 ECR 技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡(jiǎn)化，采用兩個(gè) 13.56MHz 的射頻源分別控制等離子體的產(chǎn)生和加速偏置電壓的大小，同時(shí)通過螺旋線圈感應(yīng)出交變電磁場(chǎng)的方式代替 ECR 中的外部磁場(chǎng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如下所示，射頻源通過電磁耦合將能量傳遞給內(nèi)部電子，電子在感應(yīng)電磁場(chǎng)內(nèi)做回旋運(yùn)動(dòng)碰撞反應(yīng)氣體使其電離，且可以獲得與 ECR 相當(dāng)?shù)牡入x子體密度。ICP 刻蝕技術(shù)基本上兼顧了上述幾種刻蝕系統(tǒng)的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)滿足了高刻蝕速率、高選擇比、大面積均勻性且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易控等需求，因此也迅速取代了 ECR 成為了新一代高密度等離子刻蝕技術(shù)的首選。

下圖是 ICP刻蝕反應(yīng)過程示意圖，輝光放電產(chǎn)生活性離子，然后活性離子與樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)物理活性離子輔助打斷化學(xué)鍵、加速反應(yīng)物脫附、促進(jìn)表面化學(xué)反應(yīng)并去除表面的非揮發(fā)性殘留。物理化學(xué)作用共同構(gòu)成了刻蝕過程中的三個(gè)階段。

六、干法刻蝕中常見的問題

影響干法刻蝕結(jié)果的因素多種多樣，最常見的是負(fù)載效應(yīng)、溝槽效應(yīng)以及充電效應(yīng)等。

(1)負(fù)載效應(yīng)：

負(fù)載效應(yīng)（Loading effect）是刻蝕中最常見的問題之一，其主要指在刻蝕過程中由于反應(yīng)等離子體不充足而引起的刻蝕速率降低或刻蝕不均勻的效應(yīng)。引起負(fù)載效應(yīng)的原因有多種，根據(jù)不同原因還可以將該效應(yīng)進(jìn)一步細(xì)分為宏觀負(fù)載效應(yīng)和微觀負(fù)載效應(yīng)，其具體表現(xiàn)形式如下圖所示。負(fù)載效應(yīng)是由刻蝕系統(tǒng)特點(diǎn)決定的，普遍存在于所有的反應(yīng)離子刻蝕中，為了緩解該效應(yīng)對(duì)刻蝕結(jié)果的影響，一方面需要更高密度、分布更均勻的等離子體，另一方面，可以在反應(yīng)氣體中加入輔助氣體以稀釋和均勻等離子體、提升真空系統(tǒng)性能以加快等離子體的交換和刻蝕產(chǎn)物抽除、以及在設(shè)計(jì)光刻板時(shí)注意平衡圖形密集程度等。

(2)微溝槽效應(yīng)

微溝槽效應(yīng)（Trenching effect）是指在刻蝕過程中側(cè)壁附近的刻蝕速率大于溝槽中心的刻蝕速率而導(dǎo)致的倒角現(xiàn)象，如下圖所示。該效應(yīng)是由于高能粒子以一定角度轟擊到刻蝕側(cè)壁時(shí)，能量未能損耗完全而被側(cè)壁反射下滑至底部形成繼續(xù)刻蝕而導(dǎo)致的，該效應(yīng)的產(chǎn)生與高能粒子的入射角度以及側(cè)壁的傾角均有關(guān)系，因此側(cè)壁溝槽的出現(xiàn)往往伴隨著非完全陡直的側(cè)壁。圖b是該效應(yīng)的蒙特卡羅模擬驗(yàn)證圖，隨著刻蝕深度的增加，邊角的溝槽效應(yīng)越來越明顯。加大 RF功率能在一定程度上增加入射粒子的準(zhǔn)直性從而提高側(cè)壁陡直度和降低溝槽效應(yīng)。但除此之外，刻蝕掩膜的負(fù)電荷積累也會(huì)在一定程度上加重側(cè)壁溝槽的產(chǎn)生，具體解釋見后面的充電效應(yīng)。

（3）充電效應(yīng)

充電效應(yīng)（Charging effect）是由于刻蝕掩膜的絕緣性導(dǎo)致的，反應(yīng)等離子體是帶正電的離子和帶負(fù)電的電子的平衡態(tài)，在偏置電壓的作用下，反應(yīng)離子垂直入射刻蝕表面，但由于電子質(zhì)量輕、速度快，其具有一定程度的各向異性，克服反向電勢(shì)到達(dá)樣品表面的部分電子聚集在不導(dǎo)電的掩膜表面，在樣品頂部形成一個(gè)微局域電場(chǎng)，從而對(duì)入射粒子的方向產(chǎn)生一定的影響，如圖a)所示。一方面，帶正電的反應(yīng)離子會(huì)在該電場(chǎng)的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，轟擊到刻蝕的側(cè)壁上，導(dǎo)致刻蝕的各向異性度降低，具體情況如圖b)所示；另一方面，該電場(chǎng)也會(huì)通過影響帶電粒子的入射角而加重溝槽效應(yīng)。該效應(yīng)在刻蝕窄溝道圖形時(shí)較為常見，且刻蝕時(shí)間越長(zhǎng)，電子聚集越多該效應(yīng)越明顯。該效應(yīng)可通過采用合適的刻蝕掩膜或間歇性刻蝕的方式減緩。

七、總結(jié)

六十年代之前，在集成電路的制造中主要以濕法腐蝕為主，但隨著器件制作進(jìn)入微米、納米時(shí)代，器件高度集成，濕法腐蝕的加工精度不能滿足生產(chǎn)需求。干法刻蝕技術(shù)具有刻蝕速度快、選擇比高、各向異性好、刻蝕損傷小、片內(nèi)和片間均勻性好、刻蝕斷面輪廓可控和刻蝕表面平整等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在硅材料、介質(zhì)薄膜、Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體等材料的刻蝕上，取得了優(yōu)勢(shì)非常明顯的刻蝕效果。干法刻蝕技術(shù)以各向異性度好、刻蝕速率高等優(yōu)點(diǎn)取代了濕法腐蝕并迅速在微納加工中占領(lǐng)了主要地位。