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蝕刻的機制和分類

信息來源于:互聯網 發布于:2019-08-06

蝕刻的機制,按發生順序可概分為「反應物接近表面」、「表面氧化」、「表面反應」、「生成物離開表面」等過程。所以整個蝕刻,包含反應物接近、生成物離開的擴散效應,以及化學反應兩部份。整個蝕刻的時間,等于是擴散與化學反應兩部份所費時間的總和。二者之中孰者費時較長,整個腐蝕之快慢也卡在該者,故有所謂「reaction limited」與「diffusion limited」兩類腐蝕之分。

1、濕腐蝕

最普遍、也是設備成本最低的蝕刻方法,其設備如圖2-10所示。其影響被蝕刻物之蝕刻速率(etching rate)的因素有三:蝕刻液濃度、蝕刻液溫度、及攪拌(stirring)之有無。定性而言,增加蝕刻溫度與加入攪拌,均能有效提高蝕刻速率;但濃度之影響則較不明確。舉例來說,以49%的HF蝕刻SiO2,當然比BOE(Buffered-Oxide- Etch;HF:NH4F =1:6) 快的多;但40%的KOH蝕刻Si的速率卻比20%KOH慢!濕蝕刻的配方選用是一項化學的專業,對于一般不是這方面的研究人員,必須向該化學專業的同儕請教。一個選用濕蝕刻配方的重要觀念是「選擇性」(selectivity),意指進行蝕刻時,對被蝕物去除速度與連帶對其他材質 (如蝕刻掩膜;etching mask, 或承載被加工薄膜之基板;substrate )的腐蝕速度之比值。一個具有高選擇性的蝕刻系統,應該只對被加工薄膜有腐蝕作用,而不傷及一旁之蝕刻掩膜或其下的基板材料。

(1)等向性蝕刻(isotropic etching)

大部份的濕蝕刻液均是等向性,換言之,對蝕刻接觸點之任何方向腐蝕速度并無明顯差異。故一旦定義好蝕刻掩膜的圖案,暴露出來的區域,便是往下腐蝕的所在;只要蝕刻配方具高選擇性,便應當止于所該止之深度。

然而有鑒于任何被蝕薄膜皆有其厚度,當其被蝕出某深度時,蝕刻掩膜圖案邊緣的部位漸與蝕刻液接觸,故蝕刻液也開始對蝕刻掩膜圖案邊緣的底部,進行蝕掏,這就是所謂的下切或側向侵蝕現象 (undercut)。該現象造成的圖案側向誤差與被蝕薄膜厚度同數量級,換言之,濕蝕刻技術因之而無法應用在類似「次微米」線寬的精密制程技術!

(2)非等向性蝕刻(anisotropic etching)

先前題到之濕蝕刻「選擇性」觀念,是以不同材料之受蝕快慢程度來說明。然而自1970年代起,在諸如Journal of Electro-Chemical Society等期刊中,發表了許多有關堿性或有機溶液腐蝕單晶硅的文章,其特點是不同的硅晶面腐蝕速率相差極大,尤其是<111>方向,足足比<100>或是<110>方向的腐蝕速率小一到兩個數量級!因此,腐蝕速率最慢的晶面,往往便是腐蝕后留下的特定面。

2、干蝕刻

干蝕刻是一類較新型,但迅速為半導體工業所采用的技術。其利用電漿 (plasma) 來進行半導體薄膜材料的蝕刻加工。其中電漿必須在真空度約10至0.001 Torr 的環境下,才有可能被激發出來;而干蝕刻采用的氣體,或轟擊質量頗巨,或化學活性極高,均能達成蝕刻的目的。

干蝕刻基本上包括「離子轟擊」(ion-bombardment)與「化學反應」(chemical reaction) 兩部份蝕刻機制。偏「離子轟擊」效應者使用氬氣(argon),加工出來之邊緣側向侵蝕現象極微。而偏「化學反應」效應者則采氟系或氯系氣體(如四氟化碳CF4),經激發出來的電漿,即帶有氟或氯之離子團,可快速與芯片表面材質反應。

干蝕刻法可直接利用光阻作蝕刻之阻絕遮幕,不必另行成長阻絕遮幕之半導體材料。而其最重要的優點,能兼顧邊緣側向侵蝕現象極微與高蝕刻率兩種優點,換言之,本技術中所謂「活性離子蝕刻」(reactive ion etch;RIE) 已足敷「次微米」線寬制程技術的要求,而正被大量使用中。

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