半导体光刻工艺之刻蚀——干法刻蚀
湿法腐蚀的优点在于可以控制腐蚀液的化学成分，使得腐蚀液对特定薄膜材料的腐蚀速率远远大于其他材料的腐蚀速率，从而提高腐蚀的选择性。但是，由于湿法腐蚀的化学反应是各向同性的，因而位于光刻胶边缘下边的薄膜材料就不可避免的遭到腐蚀，这就使得湿法腐蚀无法满足ULSI工艺对加工精细线条的要求。所以相对于各向同性的湿法腐蚀，各向异性的干法刻蚀就成为了当前集成电路技术中刻蚀工艺的主流。
一、干法刻蚀的原理
干法刻蚀是指利用等离子体激活的化学反应或者是利用高能离子束轰击去除物质的方法。因为在刻蚀中并不使用溶液，所以称之为干法刻蚀。干法刻蚀因其原理不同可分为两种，一种是利用辉光放电产生的活性粒子与需要刻蚀的材料发生化学反应形成挥发性产物完成刻蚀，也称为等离子体刻蚀。第二种是通过高能离子轰击需要刻蚀的材料表面，使材料表面产生损伤并去除损伤的物理过程完成刻蚀，这种刻蚀是通过溅射过程完成的，也称为溅射刻蚀。上述两种方法的结合就产生了第三种刻蚀方法，称为反应离子刻蚀。
在干法刻蚀中，纵向上的刻蚀速率远大于横向的刻蚀速率。这样，位于光刻胶蠢卖边缘下边的材料，由于受到光刻胶的保护就不会被刻蚀。不过，在干法刻蚀的过程中，离子会对硅片上的光刻胶和无保护的薄膜同时进行轰击刻蚀，其刻蚀的选择性就比湿铅衡法刻蚀差。
在等离子体中存在有离子、电子和游离基等，这些游离态的原子、分子或原子团等活性粒子，具有很强槐档做的化学活性，如果在这种等离子体中放入硅片，位于硅片表面上的薄膜材料原子就会与等离子体中的激发态游离基发生化学反应，生成挥发性的物质，从而使薄膜材料受到刻蚀，这就是等离子体刻蚀的原理和过程。因为等离子体刻蚀主要是通过化学反应完成的，所以具有比较好的选择性，但是各向异性就相对较差。
在溅射刻蚀过程中，等离子体的高能离子射到硅片表面上的薄膜表面时，通过碰撞，高能离子与被碰撞的原子之间就会发生能量和动量的转移，从而使被撞原子受到扰动。如果轰击离子传递给被撞原子的能量比原来的结合能还要大，就会使被撞原子脱离原来的位置飞溅出来，产生溅射现象。例如，辉光放电中产生的氩离子，其能量高达500eV以上，这种高能离子束轰击硅片上的薄膜表面就会形成溅射刻蚀。溅射刻蚀的优点是各向异性刻蚀，而且效果很好，但是对刻蚀的选择性相对较差。
反应离子刻蚀是一种介于溅射刻蚀与等离子体刻蚀之间的干法刻蚀技术。在反应离子刻蚀中，同时利用了物理溅射和化学反应的刻蚀机制。反应离子刻蚀与溅射刻蚀的主要区别是，反应离子刻蚀使用的不是惰性气体，而是与等离子体刻蚀所使用的气体相同。由于在反应离子刻蚀中化学和物理作用都有助于实现刻蚀，因此就可以灵活的工作条件以求获得最佳的刻蚀效果。举例来说，如果某种气体的等离子体只与Si起化学反应，由于化学反应阻挡层SiO2的存在，就可以得到良好的Si/SiO2刻蚀速率比，从而保证刻蚀选择性的要求。反应离子刻蚀的缺点在于刻蚀重点难以检测。
综上所述，等离子体刻蚀和溅射刻蚀之间并没有明显的界限，一般来说，在刻蚀中物理作用和化学反应都可以发生。我们分析反应离子刻蚀、等离子体刻蚀和溅射刻蚀之间的关系可以看到：在反应离子刻蚀中，物理和化学作用都特别重要；在等离子体刻蚀中，物理效应很弱，主要是化学反应；而在溅射刻蚀中，几乎是纯物理作用。比较这三种刻蚀技术我们还可以发现，它们都是利用低压状态下气体放电来形成等离子体作为干法刻蚀的基础，其区别是放电条件、使用气体的类型和所用反应系统的不同。刻蚀反应的模式取决于刻蚀系统的压力、温度、气流、功率和相关的可控参数。目前，在集成电路工艺过程中广泛使用的是反应离子技术。下面简要介绍采用干法刻蚀对集成电路制造中常用材料的刻蚀情况。
二、二氧化硅和硅的干法刻蚀
二氧化硅在集成电路工艺中的应用非常广泛，它可以作为隔离MOSFET的场氧化层，或者是MOSFET的栅氧化层，也可以作为金属间的介电材料，直至作为器件的最后保护层。因此，在集成电路工艺中对SiO2的刻蚀是最为频繁的。在ULSI工艺中对二氧化硅的刻蚀通常是在含有氟化碳的等离子体中进行。早期刻蚀使用的气体为四氟化碳，现在使用比较广泛的气体主要有CHF3、C2F4、SF4，其目的都是用来提供碳原子核和氟原子与SO2进行反应。以CF4为例，当CF4与高能量电子碰撞时，就会产生各种离子、原子团、原子和游离基。其中产生氟游离基和CF3分子的电离反应。氟游离基可以与SiO, 和Si 发生化学反应。反应将生成具挥发性的四氟化硅＋e
SiO2+4F——SiF4的等离子体刻蚀。另一种是通过 PECVD 淀积Si3N4做为器件保护层，这层 Si3N4 在经过光刻和干法刻蚀之后，氮化硅下面的金属化层露了出来，就形成了器件的压焊点，然后就可以进行测试和封装了。对于这种Si3N4薄膜，使用CF4-O2等离子体或其他含有F原子的气体等离子体进行刻蚀就可以满足要求。
实际上用于刻蚀SiO2的方法，都可以用来刻蚀 Si3N4.由于Si-N键的结合能介于Si-0键与 Si-Si键之间，所以氮化硅的刻蚀速度在刻蚀 SiO2和刻蚀Si之间。这样，如果对Si3N4/SiO, 的刻蚀中使用 CF4或是其他含氟原子的气体等离子体，对Si3N4/SiO2的刻蚀选择性将会比较差。如果使用 CHF3等离子体来进行刻蚀，对SiO2/Si的刻蚀选择性可以在10以上，而对Si3N4/Si的选择性则只有3~5左右，对 Si3N4/SiO2的选择性只有2~4左右。
刻蚀速率R是干法刻蚀的主要参数，刻蚀速率低，易于控制，但不适合实际生产要求。对于ULSI制造工艺，要有足够的刻蚀速率，且能重复、稳定的运用于生产中。这一节讨论几个影响刻蚀速率的主要因素。
四、离子能量和入射角
因为溅射刻蚀是利用物理溅射现象来完成的，所以，刻蚀速率由溅射率、离子束人射角和入射流密度决定，溅射率S定义为一个人射离子所能溅射出来的原子数。离子能量达到某一阈值能量以后。在刻蚀工艺中离子的能量一般≤2keV, 在这 个能量范围内，大多数材料的溅射率随离子能量的增加单调上升，当离子能量达到一定程度之后，刻蚀速率随能量的增加是缓慢的。对于·ULSI所用的材料，Ar+离子能量为500eV 时，溅射率的典型值为0. 5~1. 5.
离子人射角表示离子射向衬底表面的角度。在用XeF2刻蚀Si，并同时进行离子轰击的情况下，若用CF3+代替Ar+进行轰击，其刻蚀速率基本上不发生变化。因此，高能离子通过物理过程可以增强反应过程，与离子的化学反应无关。
对于反应离子刻蚀，等离子体中产生的主要是中性反应物，这些中性反应物先吸附于固体表面，再与表面原子反应，形成的反应物再解析成挥发性物质，整个反应可有等离子体中的高能离子诱发并加速。当然，高能离子提高反应速率的程度取决于所用的气体，材料和工艺参数的选取。
五、气体成份
气体成份在等离子体刻蚀或反应离子到蚀中是影响刻蚀速率和选择性的关键因素，表8、1是VLSI制造中常用材料的一些代表性刻蚀气体。由表8.1可见，除了去除光削胶和刻蚀有机质之外，VLSI中主要使用卤素气体。选择气体的主要依据是，在等离子刻蚀温度下，它们是否能和剥蚀材料形成挥发性或准挥发性卤化物，由于含卤气体能相当容易地剂蚀VLSI所用的无机材料，而且工艺危害也很小，所以，卤化毒气体占有主要优势。
在反应刻蚀中，经常使用的是含多种成份的混合气体，这些混合气体由一种主要气体加入一种或几种添加剂组成，添加剂的作用是改善刻蚀速率、选择性、均匀性和刻蚀剖面。例如，在刻蚀Si和SiO2时，使用CF4为主的混合气体，
六、气体流速
气体流速决定反应剂的有效供给程度。反应剂的实际需要取决于有效反应物质产生与消耗之间的平衡过程，刻蚀剂损失的主要机制是漂移、扩散、复合以及附着和输运。
在一般工作条件中，气体流速射到蚀邃率R的影响不大，在极端情况下，可以观察到气体液邃的影响，例如，诙邃很小，刻蚀速率受反应剂供给量的限制1相反，当流邃很大时，输运成为反应剂损失的主要原因。是否发生输出损失取决于泵速、气体和反应器内的材料，在一般情况下，活性反应剂的寿命根短，流速的影响不必考虑}当活性剂的寿命较长时，流速对刻蚀速率R产生影响，由图8.34可见，R-1是流速的线性函数，这与反应剂滞留时间与流速的关系一致，说明在所示的条件下，活性剂的寿命由输运损失决定。
七、温度
在反应剥蚀中，M度对刻蚀速率的影响主要是通过化学反应j直率体现的。为获得均匀、重复的刻蚀速率，必须认真控制衬底温度，等离子体加热是衬底温度上升的主要原因；此外，刻蚀过程的放热效应也不可忽视。
八、压力、功率密度和频率
压力、功率密度和频率都是独立的工艺参数，但在实际中，它们各自对刻蚀工艺的影响是难以预计的。压力和频率较低，而功率密度较高，可以提高电子能量和人射离子的能量，增加功率也可提高等离子体中活性剂和离子的密度。因此，在离子加速反应刻蚀中，降低压力或频率，或增加功率密度，可以获得更好的各向异性刻蚀。
一般刻蚀速率单调地随功率而增加。由于外加功率几乎都要转变为热量，因此，在功率密度板高时，样品温度升高，需要考虑衬底散热，否则，会造成有害的影响。
系统压力对到蚀速率的影响，随刻蚀材料及气体的不同而有明显的差异。随着系统压力増加，刻蚀速率增大，选择合适的刻蚀条件可以获得最大的刻恤速率。
频率主要是通过离子能量面影响到蚀速率。放电的工作电压障频率的降低而增加，因而离子的轰击能量在低频下将比高频下的高，又因为刻蚀速率与您轰击能量成正比，所以，在低频下能获得比较高的划蚀速率。
九、负载效应
在反应刻蚀的过程中，刻蚀的速率往往隲刻蚀面积的增大而减小，这种现象称为负载效应。当反应剂与剥蚀材料的反应迅速时，容易产生负戦效应。如果刻蚀是反应剂的主要损失机制，则刻蚀材料的表面积越大，反应剂的消耗速率就越快。活性物质的产生率由工艺参数决定，与到蚀材料的多少无关、这样，反应刑的平衡浓度可由产生率和损失率之差决定，在反应离子刻蚀的过程中，刻蚀速率只与被刻蚀的面积成反比，刻蚀的速率R随被刻蚀的面积的増大而减小。这说明在一次刻蚀的过程中，需要刻蚀的硅片数目越多，由于反应原子和原子团的消耗，整体的刻蚀速率就越慢。若等离子体中反应刑的寿命很短，负载效应很小就可以忽略，反应剂的损失机构主要由刻蚀消耗所决定。
在集成电路工艺中，负载效应的出现，将影响图形尺寸的精确控制，因为，随着刻蚀到达终点，被腐材料的表面积迅速减小，此时的刻蚀速率就会比正常划蚀速率高得多，不但进行过刻蚀，而且也加速了倒向刻蚀，给条宽的控制造成困难。
从某种意义上说，负载效应是一种宏观过程，反应室中某个硅片的存在将影响另一硅片的刻蚀速率，这就意味着等离子体中反应剂的输运过程非常迅速，以致等离子体中的反应剂并不存在多大的浓度梯度。当然，被多打虫图形的尺寸和密度不同，也会影响刻蚀速率，这可能是由于反应速率不同，引起反应剂的局部浓度梯度而造成的。
光刻机和刻蚀机的区别
刻蚀相对光刻要容易。光刻机把图案印上去，然后刻蚀机根据印上去的图案刻蚀掉有图案的部分，留下剩余的部分。
“光刻”是指在涂满光刻胶的晶圆上盖上事先做好的光刻板，然后用紫外线隔着光刻板对晶圆进行一定时间的照射。原理就是利用紫外线使部分光刻胶变质，易于腐蚀。
“刻蚀”是光刻后，用腐蚀液将变质的那部分光刻胶腐蚀掉，晶圆表面就显出半导体器件及其连接的图形。然后用另一种腐蚀液对晶圆腐蚀，形成半导体器件及其电路。
扩展资料：
光刻机一般根据操作的简便性分为三种，手动、半自动、全自动
1.手动：指的是对准的调节方式，是通过手调旋钮改变它的X轴，Y轴和thita角度来完成对准，对准精度可想而知不高了；
2.半自动：指的是对准可以通过电动轴根据CCD的进行定位调谐；
3.自动： 指的是 从基板的上载下载，曝光时长和循环都是通过程序控制，自动光刻机主要是满足工厂对于处理量的需要。
参考资料：搜狗百科-光刻机，搜狗百科-刻蚀
