一文读懂ICP刻蚀技术

ICP刻蚀技术

电感耦合等离子体刻蚀（ICP，Inductively Couple Plasma）刻蚀工作原理是：用高频火花引燃时，部分Ar工作气体被电离，产生的电子和氩离子在高频电磁场中被加速，它们与中性原子碰撞，使更多的工作气体电离，形成等离子体气体。导电的等离子体气体在磁场作用下感生出的强大的感生电流产生大量的热能又将等离子体加热，使其温度达到1×10^4K，形成ICP放电。

电感耦合等离子体刻蚀是物理过程和化学过程共同作用的结果，在真空低气压下，ICP射频电源产生的射频输出到环形耦合线圈，以一定比例混合的气体经耦合辉光放电，产生高密度的等离子体，在下电极RF射频作用下，这些等离子对基片表面进行轰击，基片材料的化学键被打断，与刻蚀气体反应生成挥发性物质，以气体形式脱离基片，从真空管路被抽走。

ICP刻蚀的优势：ICP刻蚀技术具有刻蚀速率快、选择比高、各向异性高、刻蚀损伤小、大面积均匀性好、刻蚀断面轮廓可控性高和刻蚀表面平整光滑等优点；ICP刻蚀设备结构简单、外形小、操作简便、便于自动控制、适合大面积基片刻蚀。近年来，ICP刻蚀技术被广泛应用在硅、二氧化硅、III-V族化合物、金属等材料的刻蚀上

ICP刻蚀相比RIE刻蚀的优势

ICP刻蚀设备的一般构造

电感耦合等离子体（ICP）刻蚀机包括两套通过自动匹配网络控制的13.56MHz 射频电源，一套连接缠绕在腔室外的螺线圈，使线圈产生感应耦合的电场， 在电场作用下， 刻蚀气体辉光放电产生高密度等离子体。功率的大小直接影响等离子体的电离率， 从而影响等离子体的密度。第二套射频电源连接在腔室内下方的电极上，主要为等离子提供能量。这样两套RF电源的配置，使得在低离子能量条件下，可以增加离子密度，从而提高刻蚀速率的同时，保证对晶片的损伤降到最低。

刻蚀的基本要求

（1）负载效应

刻蚀中还存在负载效应，即发生刻蚀速率变慢的情况。分为宏观负载效应和微观负载效应。刻蚀面积很大时，因为气体传输受限和刻蚀气体耗尽，刻蚀速率会较慢，这称为宏观负载效应。在微细图形的局部区域内， 被刻蚀材料的密度过高造成刻蚀气体耗尽的情况称为微观负载效应。

（2）图形保真度

设横向刻蚀速率为V1，纵向刻蚀速率为V2，通常用A 表示刻蚀的各向异性刻蚀的程度，定义如下：

A=1，表示图形转移中没有失真， 刻蚀具有很好的各向异性。A=0，图形失真情况严重，刻蚀为各向同性。

（3）均匀性

在材料制备时， 薄膜厚度一般有一定的不均匀性， 而刻蚀时同一衬底片的不同位置的刻蚀速率也不同。这些都会造成图形转移的不均匀。

刻蚀的均匀性在很大程度上依赖于设备的硬件参数， 如反应室的设置， 气流， 离子浓度等均匀性情况。其次是工艺参数的影响。

对于大衬底的刻蚀， 如果刻蚀时间不够， 膜厚处没有刻蚀完全；但是刻蚀时间太长，膜薄处会造成过刻蚀，实际情况中需要综合考虑。也可以在被刻蚀材料的下层制备截止层，截止层选用和被刻蚀材料有很高选择比的材料， 这样可以加长刻蚀时间， 保证膜厚处被刻蚀干净，膜薄处也不会造成明显的过刻蚀。

除了同一样片不同位置的均匀性问题， 同一刻蚀条件不同样片的刻蚀均匀性（也称重复性）也很重要。重复性与反应室的状况有很大的关联性。

（4）表面形貌

一般情况下， 刻蚀后的表面形貌都希望侧壁陡直光滑， 刻蚀地面平滑。但对于不同的器件有时也有特殊要求，如需倾斜剖面、微透镜结构等。

（5）刻蚀的清洁

刻蚀中防止玷污是非常重要的。如果在接触孔的位置出现重金属沾污也会造成漏电。对于干法刻蚀，刻蚀表面还会出现聚合物的再淀积。

等离子刻蚀的基本过程

等离子体刻蚀有四种基本的过程，他们分别是物理溅射刻蚀（Sputtering）、纯化学刻蚀（Chemical）、离子增强刻蚀（Ion enhanced energetic）、侧壁抑制刻蚀（Ion enhanced inhibitor）。

1) 物理溅射刻蚀（Sputtering）

溅射工艺是以一定能量的粒子（离子或中性原子、分子）轰击固体表面，使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面的工艺。等离子体所提供的离子能量约为几百eV，一般来说会高于溅射产生的阈值（几十eV）。在等离子提供的能量范围内，溅射率随着离子本身能量的增大而急剧增加。不同材料的溅射速率在离子能量一定的情况下相差不大，因此溅射是纯物理的过程，这个过程选择性差，速率低。

但是物理溅射刻蚀，离子轰击具有很强的方向性，使得被刻蚀材料具有很好的各向异性。

2) 纯化学刻蚀（Chemical）

在纯化学刻蚀中，等离子体提供中性的活性基团，这些活性基团与薄膜表面发生化学反应，生成相应的气相产物。如刻蚀Si材料常用F基气体，因为会生成易挥发的SiF4.

化学刻蚀是各项同性的，活性基团会以近似角分布到达被刻蚀材料表面，反应过程中反应产物必须是可挥发的。一般来说化学刻蚀可以获得高的速率以及选择比。

3) 离子增强刻蚀（Ion enhanced energetic）

离子增强刻蚀是物理溅射和化学刻蚀互相结合的工艺方式。物理溅射中物理轰击的作用可以大大增强薄膜表面的化学反应的活性，刻蚀的效果相较单一的物理和化学刻蚀，效果显著。等离子体既提供了粒子通量又赋予离子能量。

4) 侧壁抑制刻蚀（Ion enhanced inhibitor）

这种刻蚀方式主要应用于深刻蚀，如Bosch工艺，深硅刻蚀运用分子量较大的钝化气体C4F8与SF6搭配，刻蚀和钝化交替进行，实现侧壁垂直的深刻蚀工艺。

影响刻蚀效果的因素

ICP 工艺中影响刻蚀效果的因素很多。工艺参数里包括源功率、偏压功率、刻蚀气体及流量、工作气压和温度等。此外，掩膜的制备和反应室内壁的情况对刻蚀结果也有很重要的影响。

1.掩膜的影响

ICP 刻蚀是图形转移的过程，因此掩膜的制备对刻蚀非常重要。最常见的掩膜是光刻胶(Photoresist.PR)、SiO2和金属(如A1、Ni等)。一个好的掩膜要求陡直度较高，边缘光滑。底部去除干净无残留，抗高温和抗轰击能力强。

掩膜的陡直度和边缘的光滑程度直接影响刻蚀剖面的陡直度和侧壁的光滑程度。虽然可以通过工艺参数的调整改善刻蚀形貌，但是效果远不如掩膜质量的改善。因此高质量的光刻技术对刻蚀非常重要。

(1)几乎所有的掩膜制备都需要由光刻制备，光刻胶掩膜的制备最容易，精度也最高。但是，光刻胶的抗高温和抗轰击能力很差，只能用于低温工艺，通常选择比也较低。

(2)硬掩膜

SIO2 和金属等硬掩膜一般需要光刻胶图形的二次转移，图形精度会有所损失。但是它们的抗高温和抗轰击能力很好，选择比高，可以刻蚀更深的深度。

2.工艺参数的影响

(1)ICP Power 源功率

这个功率源的主要作用是产生高密度等离子体，控制离子通量。功率增加时，离子和活性基密度增加，刻蚀速率也增加。一般情况下，选择比也会增加。但过高时，均匀性会下降。

同时，源功率增加会带给衬底更多的热负荷，衬底温度会明显升高，对于需要低温的工艺影响较大，需要更好的温控系统。

(2)RF Power 偏压功率

偏压功率源主要作用是控制离子轰击能量。对刻蚀速率和台阶角度影响很大。偏压功率增加，刻蚀速率明显增加。但是同时对掩膜的刻蚀也明显增加，可能导致选择比下降，台阶形貌变差。偏压功率过高有时会在台阶底部形成“trenching”沟槽。

(3)工作气压

ICP 刻蚀的工作气压一般都小于 50mTorr，典型值在几个 mTorr 至十几mTorr。在这样的低气压条件下，粒子的平均自由程很长，方向性好，离子轰击作用也较强。同时，低气压也有利于挥发性刻蚀产物的解吸附，易获得好的刻蚀结果。气压对均匀性影响很大，气压减小时均匀性更好。因此，气压减小，刻蚀的各向异性增加，均匀性和台阶角度会更好。

气压对刻蚀速率的影响随刻蚀材料和气体的不同而有明显的差异。对于化学作用较强的工艺，如 GaAs 的刻蚀，气压较大时因为活性基和离子密度增加，刻蚀速率和选择比会有较大增加。而对物理作用较强的工艺，如 SiO2 的刻蚀，气压增加时刻饨速率变化不大。

(4)气体成分和流量

等离子体刻蚀中经常使用含多种成分的混合气体。这些气体大体可分为三类。第一类是

主要刻蚀反应气体，与被刻蚀材料发生化学反应生成挥发性产物。如 CI2、CF4、SF6 等。

第二类是起抑制作用的气体,可以在侧壁形成阻挡层,实现高的各向异性刻蚀,如 CHF3、 BCl3、SiCI4、CH4等。

第三类是起稀释或特殊作用的惰性气体，如 Ar、He、N2 等。可以增强等离子体的稳定性，改善刻蚀均匀性，或增加离子轰击作用在(如 Ar)来提高各向异性和提高选择比(如 H2、O2)等。

为了实现不同的刻蚀结果，平衡每一类气体的作用(选用合适的流量比)非常重要。如果需要获得较高的刻钟速率,应选择和被刻蚀材料反应积极并目生成物非常易干挥发的反应类气体，同时可以适当提高其百分比浓度。但是，如果是被刻蚀层偏薄，对下层材料的选择出又较低的情况，常常提高抑制气体和稀释气体的比例来降低刻蚀速露，以实现对刻钟终点的精确控制。

(5)温度

温度对刻蚀速率的影响主要体现在化学反应速率的变化。因此为了保证刻蚀速率的均匀性和重复性，必须精确的控制衬底温度。

高温可以促进化学反应的进行，同时也有利于挥发性产物的解吸附。对于刻蚀生成物挥发温度较高的工艺，如 InP的刻蚀，高温会带来有利的影响，但是对于以光刻胶为掩膜的低温工艺来说，温度必须控制在较低的水平。温度过高时光刻胶会软化变形，造成刻蚀图形的偏差。严重时光刻胶会碳化，导致刻蚀后很难去除。如果必须使用较高的衬底温度，需要改为 SiO2、金属等硬掩膜。

外加功率在很大程度上会转化为热量。对于ICP 这种等离子体，功率一般很高，反应中衬底温升很快。如果工艺对温度非常敏感，在参数设置时应更加注意。