DryEtch工艺基本原理及良率剖析经典讲解

1、【面板制程刻蚀篇】史上最全Dry Etch分类、工艺 基本原理及良率剖析Dry Etch工序的目的广义而言，所谓的刻蚀技术，是将显影后所产生的光阻图案真实地转印到光阻下的材质上，形成由光刻技术定义的图形。它包含了将材质整面均匀移除及图案选择性部分去除，可分为湿式刻蚀(wet etching)和干式刻蚀(dry etching)两种技术。湿式刻蚀具有待刻蚀材料与光阻及下层材质良好的刻蚀选择比( selectivity )。然而，由于化学反应没有方向性，因而湿式刻蚀是各向同性刻蚀。当刻蚀溶液做纵向刻蚀时，侧向的刻蚀将同时发生，进而造成底切( Undercut )现象，导致图案线 宽失真，如下图所示

2、。Bias底切现象自1970年以来，元件制造首先开始采用电浆刻蚀技术 (也叫等离子体刻蚀技术) 人们对于电浆化学性的了解与认识也就越来越深。在现今的半导体集成电路或面板制造过程中，要求精确地控制各种材料尺寸至次微 米大小，而且还必须具有极高的再现性，电浆刻蚀是现今技术中唯一能极有效率地 将此工作在高良率下完成的技术，因此电浆刻蚀便成为半导体制造以及TFT LCDArray制造中的主要技术之一。干式刻蚀通常指利用辉光放电(glow discharge )方式，产生包含离子、电子等带电粒子以及具有高度化学活性的中性原子、分子及自由基的电浆，来进行图案转印(pattern transfer )的刻蚀

3、技术。干法刻蚀是亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法，广泛应用于半导体或面板前段制程。Dry Etch的分类及工艺的基本原理蚀刻技术中的术语1,各向同性与各向异性蚀刻 (Isotropic and Anisotropic Etching)不同的蚀刻机制将对蚀刻后的轮廓(Pro万le)产生直接的影响。如下图所示，纯粹的化学蚀刻通常没有方向选择性，上下左右刻蚀速度相同，蚀刻后将形成圆弧的轮廓，并在遮罩(Mask)下形成底切(Undercut),这种刻蚀被称为各向同性蚀刻。各向同性蚀刻通常对下层物质具有很好的选择比，但线宽定义不易控制。而各向异性蚀刻则是借助具有方向性的离子撞击，进行特定方向的蚀刻，形成

4、垂直的轮廓。采用非等向性蚀刻，可定义出较细微的线宽。各向同性与各向异性刻蚀.选择比(Selectivity )在刻蚀过程中，被刻蚀物质上层的遮罩物质(如光刻胶)或下层的物质这些本来不 需要被刻蚀的膜层也会同时遭到刻蚀，如下图所示。上下左右轨怏谯度相同樗定方向同混刻蚀前和刻蚀后比较选择比即为不同物质之间蚀刻速率的比值。其中又可分为对遮罩物质的选择比及对待蚀刻物质下层物质的选择比。选择比要求越高越好，高选择比意味着只刻除想要刻去的那一部分材料。选择比可以表示为：选择比=被刻蚀材料的速率/不需要被刻蚀材料的速率。.负载效应(Loading Effect )负载效应就是当被蚀刻材质裸露在反应电浆或溶液

5、时，面积较大者蚀刻速率比面积较小者慢的情形。这是由于反应物质在面积较大的区域中被消耗掉的程度较为严重， 导致反应物质浓度变低，而蚀刻速率却又与反应物质浓度成正比关系，大部份的等 向性蚀刻都有这种现象。.RF 自偏压(self bias )电浆是等离子体，其内部正负离子相等，而如果解离腔体电极接上 RF power,由于 其电极表面所带电荷的变换，会吸引正负离子及电子的接近，但因电子与带正电的 原子核质量相差甚多，使得在经过高频的变换过程后，电子与正离子逐渐分离。质量较小的电子受吸引加速较快到达电极表面，使电极附近形成带负电的鞘层电压，这就是自偏压产生的原理。这个鞘层电压与等离子体之间存在电位差

6、，从而会吸引 正离子轰击基板表面，增加刻蚀的效应。迪壬府小漠*大 .八- rI +电子与正离子分离Vp:VplaiAAVr bi上下电极之间的电位分布干刻蚀机制的分类在干式蚀刻中，随着制程参数和电浆状态的改变，可以区分为两种极端性质的蚀刻方式即纯物理性蚀刻与纯化学反应性蚀刻，以及物理和化学混合作用刻蚀。.物理刻蚀纯物理性蚀刻可视为一种物理溅镀(Sputter)方式，它是利用辉光放电，将气体如Ar, 解离成带正电的离子，再利用自偏压(self bias)将离子加速，溅击在被蚀刻物的 表面，而将被蚀刻物质原子击出。此过程乃完全利用物理上能量的转移，故谓之物理性蚀刻。利用下电极所产生的自 偏压会吸引

7、电浆中的正离子轰击基板表面，达到破坏膜层表面的刻蚀目的，这种刻 蚀的好处在于它很强的刻蚀方向性，从而可以获得高的各相异性刻蚀剖面，以达到 好的线宽控制目的。其特点有：a.b.c.d.各相异性刻蚀低刻蚀选择比并且因轰击效应使得被刻蚀膜层表面产生损伤反应副产物多为非挥发性，容易累积于腔体内部:正离子物理溅射（sputter ）机理.化学刻蚀纯化学反应性蚀刻，则是利用各式能量源（ RF, DC, microwave等）给予气体能 量，产生电浆，进而产生化学活性极强的原 （分）子团，原（分）子团扩散至待蚀刻物质 的表面，与待蚀刻物质反应产生挥发性之反应生成物，最后挥发性生成物被真空设 备抽离反应腔。因

8、这种反应完全利用化学反应来达成，故谓之化学反应性蚀刻。这种蚀刻方式相近 于湿式蚀刻，只是反应物及产物的状态由液态改变为气态，并利用电浆来促进蚀刻 的速率。因此纯化学反应性蚀刻拥有类似于湿式蚀刻的优点及缺点，特点有：a.各向同性刻蚀b.高刻蚀选择比c.高刻蚀速率d.低表面损伤e.反应腔体洁净度较易维持活性基团化学反应性刻蚀机理在半导体以及LCD制程中，纯化学反应性蚀刻应用的情况通常为不需做图形转换的 步骤，如光阻的去除等。产物犷反应物犷散C二吸附气态的化学反应一 反应副反应物 电M基于化学反应机制的理想乾蚀刻过程如上图所示，一个仅基于化学反应机制的理想干蚀刻过程可分为以下几个步骤(1)刻蚀气体进

9、入腔体，在电场作用下产生电浆形态之蚀刻物种，如离子及自由基(Radicals);蚀刻物种藉由扩散、碰撞或场力移至待蚀刻物表面;蚀刻物种吸附在待蚀刻物表面一段时间;进行化学反应并产生挥发性之生成物;生成物脱离表面;(6)O：活性基m脱离表面之生成物扩散至气体中并排出。上述步骤中若其中一个停止发生， 则整个反应将不再进行。而其中生成物脱离表面的过程最为重要，大部份的反应物种皆能与待蚀刻物表面产生快速的反应，但除非生成物有合理的气压以致让其脱离表面，否则反应将不会发生。.物理和化学刻蚀物理和化学刻蚀机理单纯的物理或化学刻蚀所得到的刻蚀速率低于两者综合效应，如膜层表面先受到离子轰击，破坏表层结构，再施

10、以化学反应，可得到数倍以上的刻蚀速率。物理和化学混合作用的机理可以理解为离子轰击改善化学刻蚀作用，加入离子撞击 的作用有二：一是将待蚀刻物质表面的原子键结破坏，以加速蚀刻速率；二是将再沉积于待蚀刻物质表面的产物或聚合物(Polymer)打掉，以便待蚀刻物质表而能再与反应蚀刻气体接触。各向异性蚀刻的达成，则是靠再沉积的产物或聚合物，沉积于待蚀刻图形上，在表 面的沉积物可被离子打掉，蚀刻可继续进行，而在侧壁上的沉积物，因未受离子的 撞击而保留下来，阻隔了表面与反应蚀刻气体的接触，使得侧壁不受侵蚀，而获得 各向异性蚀刻，如下图所示 物理和化学混合作用机理刻蚀能获得好的线宽控制并有不错的选择比，因而目

11、前最具广泛使用的方法便是结合物理性蚀刻与化学反应性蚀刻的方法。四枇於-域月由嬴 ,.H = jLk f-C. r 居野 g“开卡 * *6IT 才 M * .*,贮*料.f 1*AI L .光用辨*-窜击寓* 气体身干中性枝干, 巨由舞 高子 把拒*反血生感知器得洪物理和化学刻蚀过程及侧壁的形成干法刻蚀也可以根据被刻蚀的材料类型来分。在Array制程刻蚀工艺中，按材料分，主要可分为非金属和金属刻蚀。非金属刻蚀有a-Si/n+a-Si/SiNx刻蚀，可概括性的视为 Si刻蚀，其刻蚀气体可选用 的有SF6及CFx系，一般在LCD制程选用SF6,因为其解离之F自由基较多，反 应速率较快且制程较为洁净

12、；CFx系由于在反应过程中，容易有 CH化合物产生，较少被选用，但 CFx系可通入 O2,通过改变F/C比例及O与C的结合，减少CFx与F的再结合，增加F自由基 来加快刻蚀速率，并可调整 Si/Oxide之选择比，制程控制的弹性较 SF6要高。金属刻蚀则以Al刻蚀为主，一般采用 C12作为刻蚀气体，可得到各向同性的化学性 刻蚀效果。干刻蚀模式及原理干刻蚀目前以PE及RIE模式使用较为普遍，两种均属于平行电极板的刻蚀，能量 均采用RF Power。除了 PE及RIE机台，array制程最常用到的还有ICP模式。.反应离子刻蚀反应离子刻蚀（RIE）是Reactive Ion Etching 的简称

13、，它是一种采用化学反应和物 理离子轰击作用进行刻蚀的技术。如下图所示，RIE腔室的上电极接地，下电极连接射频电源（13.56MHz ）,待刻蚀 基板放置于下电极，当给平面电极加上高频电压后，反应物发生电离产生等离子体， 等离子体在射频电场作用下，带负电的电子因质量较小首先到达基板表面。又因为下基板直接连接隔直流电容器，所以不能形成电流从下基板流走，这样就会 在基板附近形成带负电的鞘层电压（DC偏压），这种现象被称为阴极降下。正离子在偏压作用下，沿着电场方向垂直轰击基板表面，离子轰击大大加快了表面 的化学反应及反应生成物的脱附，因而RIE模式有很高的刻蚀速率，并且可以获得 较好的各向异性侧壁图形

14、，但相对的表面损伤也较严重。明忸伟下反应离子刻蚀原理.等离子刻蚀等离子刻蚀简称PE(Plasma Etching)模式，PE与RIE模式的差别在于将 RF射频 电源连接于上电极，而下电极接地，RF装于上电极，可通过控制 RF Power来控制反应气体解离浓度，且下电极接地使得表面电位为零，与电浆电位(略大于零) 相差不多，并不能产生离子轰击效应，所以造成表面损伤低，适合运用与电性能高 度相关的膜层之刻蚀，图8.6射频电源隔直而 丁电容器,阴极援瑞/基板排气PE模式原理.电感耦合等离子体(ICP)除了 PE 及 RIE 机台，array 制程最常用到的还有 ICP(Inductively Cou

15、pled Plasma ) 模式。ICP的上电极是一个螺旋感应线圈，连接功率为 13.56MHz的射频电源来产生等离子体，感应线圈将电场与磁场集中，等离子体中电子受磁力作用而做螺旋运动，电子的平均自由程增加可使之获得较高的加速电压，这使得有效碰撞频率增加，离子解离率也因而大幅度增加，ICP模式下的离子密度可比一般解离电浆高约10100倍。另外，如果要获得化学和物理刻蚀，可以在下电极装产生偏置( BIAS VOLTAGE )的RF发生器(一般频率小于13.56MHz ),可利用控制 RF power的大小来控制 BIAS VOLTAGE ,进而控制离子轰击能量，这种以上电极感应线圈控制离子解离浓

16、 度，下电极控制离子轰击能量的方法，使得蚀刻制程可达到极为优良的控制。其所能运用的范围也更加宽广，缺点在于电浆匹配不易，设备多元性也容易造成维 护上的困难，在array制程中通常用于需要强有力离子轰击的金属蚀刻。刻蚀用的工艺气体下面将结合TFT器件不同部分所使用的有代表性的干刻工艺气体作简单的介绍。a-Si的刻蚀刻蚀a-Si层可以采用RIE模式、PE模式和ICP模式，目前一般多采用前两种。PE 模式下和RIE模式下采用的反应气体组成分别为：PE 模式：SF6+HCl+HeSF6： F元素的供给源，用来刻蚀 a-Si oHCl:提高对下层物质SiN的选择比。He：使等离子体均一化。RIE 模式：

17、Cl2+SF6Cl2： Cl元素的供给源，刻蚀a-Si的主要气体。SF6:F元素的供给源，用来与a-Si发生反应，辅助刻蚀，提高刻蚀速率。SiN的刻蚀可以采用RIE模式、PE模式和ICP模式。反应气体的组成可以是：SF6+O2, SF6+He 或 SF6+ O2+He其中：SF6： F元素的供给源，刻蚀 SiN、SiO用的主要气体。O2：有利于形成Taper角，也可用于光阻的灰化过程。Mo、Ta、MoW 的刻蚀可以采用RIE模式、PE模式和ICP模式，目前一般采用 RIE模式和ICP模式。反 应气体的组成可以是 SF6+O2和SF6+ O2+He。其中SF6的作用主要是F元素的供 给源，用作M

18、o、Ta和MoW的主要刻蚀气体。O2的作用是形成Taper角和光阻的 灰化。Al的刻蚀纯Al干刻一般采用RIE模式，Al-Nd合金一般采用ICP模式。反应气体采用BCl3+Cl2BCl3：主要用于去除Al膜表面的自然氧化膜（Al2O3）Cl2： Al元素的供给源，刻蚀 Al的主要气体。ITO的刻蚀主要采用ICP模式，因为ITO是由锢(In)、锡(Sn)和氧元素构成，所以可以用C12或HBr或HI进行刻蚀。反应方程如下：In+3 (Cl or Br or I ) - InC13 or InBr 3 or InI 3Sn+4 (Cl or Br or I ) -SnC14 or SnBr 4 or

19、 SnI 4SiO的刻蚀主要采用ICP模式反应气体组成可以是 C4F6+H2+Ar或者C4F6+CH2F2+Ar。其中：C4F6： CFx基的供给源。H2、CH2F2： F 离子的去除(F+HHFT)。Ar： Ar本身的活性不强，主要利用离子轰击促进CFx和SiO的反应。Dry Etching设备的构成和主要性能指标干法刻蚀设备的概述刻蚀是用化学或物理的方法有选择地从基材表面去除不需要的材料的过程，其中干 法刻蚀(Dry Etching )具有很好的各向异性刻蚀和线宽控制，在微电子技术中得到 广泛的应用。在TFT-LCD制造过程中，Island , Channel和Contact的刻蚀一般使用

20、的是干法刻 蚀中 RIE 模式(Reactive Ion Etching Mode )，下图是 TEL (Tokyo Electron Limited ) 生产的干刻机的简单示意图。其设备的主体是工艺腔室(Process Chamber ),其他的辅助设备有产生工艺必需 的真空之真空泵(Pump ),调节极板和腔体的温度之调节器(Chiller),判断刻蚀 终点之终点检测器(EPD, End-point Detector ),处理排出废气的尾气处理装置(Scrubber),以及搬运玻璃基板的搬送装置(比如马达，机械手)。下面的内容将对其中工艺腔室、真空泵、温度调节器和终点检测器进行介绍，以期对

21、干法刻蚀设备的构成和主要性能指标有一个基本的了解。U西苜上臼L.CINF LikPRtqT7C 干刻机台的概貌其中 P/C: Process chamber; T/C: Transfer chamber; L/L: Load lock; S/R:pl ST 4 /a 0E.AFE ”B001 IMSender/receiver, A/A: Atmospheric ArmA/A玻璃基板在干刻机台中的基本流程干法刻蚀工艺流程G,ass PareiPlasma Etching玻璃基板的基本流程：玻璃基板(Glass Panel )先存放在S/R中，通过机械手经由End-point Check： EP

22、DA/A传送到L/L,然后到T/C,接着基板被分配到各个 P/C中去进行等离子体刻蚀处理。在刻蚀过程中由EPD装置确定刻蚀的终点，如果达到刻蚀终点，则停止刻蚀,基板经由原来的路径传送到设备外进行下一段工序。设备的主要的组成部分玻璃基板在干刻工序的整个流程中，处于工艺腔（P/C）才是真正进行刻蚀，其他的动作只是基板从设备外大气状态下传送到工艺腔（真空状态）以及刻蚀前后进行 的一些辅助程序。所以整个干法刻蚀设备的核心部分是工艺腔。基板置于工艺腔后，刻蚀气体由MFC控制供给到工艺腔内，利用 RF发生器产生等离子体，等离子体中的阳离子和自由 基对需要刻蚀的薄膜进行物理和化学的反应，膜的表面被刻蚀，得到

23、所需的图形， 挥发性的生成物通过管道由真空系统抽走。整个刻蚀过程就是这样的。Matching BoxChi lief13 56MHz RF Gerteralor工艺腔（Process Chamber ）的示意图MFC: Mass Flow Controller,质量流量控制器； CM: Capacitance Manometer, 电容式压力计；APC: Adaptive Pressure Controller, 压力调节器；TMP: Turbo Molecular Pump, 涡 轮分子泵通过控制压力，RF功率，气体流量，温度等条件使得等离子体刻蚀能顺利进行。 质量流量控制器控制工艺气体流量

24、的设备单元。 MFC利用气体的热传输特性（物体吸收或放出的热 量与其质量、比热、温度差相关，对于特定物质，其比热一定），测量进入工艺腔 的质量流量速率。MFC主要由加热传感线圈，测量控制电路，控制阀构成。当气体流过时，热敏线圈 由于温度变化导致的阻值变化可以转变为电信号，电信号在测量控制电路中反映的 是流过MFC的气体质量流量，进而控制阀的闭合程度达到控制工艺气体质量流量 的目的。气体质量流量，实质上应该用质量单位来表示，但在习惯上是用标准状态（0C, 一个标准大气压）下的气体体积流量来表示（ sccm, standard cubic centimeter per minute ,标准立方厘米

25、每分钟）。MFC （质量流量器）的示意图RF发生器及匹配网络电路RF发生器从水晶振荡器发出13.56MHz、5mW的波形，通过多段增幅器后增幅至数千瓦，然后通过同轴电缆传输到匹配网络盒中进行匹配控制，将 RF的功率传输到工艺腔的等离子体. M EtuAmp-4 Pi:“Mip| iteMkreer81 p-3Wi“JWlI3UNWWARF发生器的示意图以及在不同位置的波形匹配网络盒和匹配控制器相结合将反射波（电容耦合放电功率）控制到最小，使得RF功率的最大部分在工艺腔内等离子体中消耗。匹配网络电路执行以下的两项内容：1、消除电抗成分。也就是使电流和电压的相位合到一起，这样工艺腔内就能产生有效的

26、功率。这是由图中的 Cs （match）电容器自动调节。2、取得阻抗匹配。通常是将RF发生器的负载阻抗调整为 50欧姆，这可以将最大 的功率传送到工艺腔内而不是消耗在 RF电源内部。这是由图中的 Cp （tune）自动 调节。CsRFINLs1 Ls2 (match)OUTMatchingRF Generatorccnl roller匹配网络电路示意图EPD,终点检测器相对湿法刻蚀，干法刻蚀对下层薄膜没有很好的刻蚀选择比。由于这个原因，EPD（终点检测器）被要求用于监控刻蚀工艺和停止刻蚀（图 3-7）。终点检测有很多方式，其中使用最常用的是发射光谱方法。等离子刻蚀终点检测等离子体中处于激发态的

27、原子或分子基团会发出特定波长的光，并且光的强度与激 发原子和基团的浓度相关。EPD通过探测反应物或生成物发出的某种特定波长的光的强度，可以得到等离子体刻蚀进行的即时信息。这种方法具有高的灵敏度。我们采用的EPD其基本结构示意图如下:CCD MCAControllerEPD基本结构示意图CCD: Charge-Coupled Device, MCA: Multi-Channel Analyzer等离子体发出的光经 CCD接受后将各种光波转化为电学信号输入MCA中，由计算机端控制进行选择需要检测的波长。对所选波长的光波的强度进检测得到刻蚀的终 点，进而对刻蚀工艺进行控制。Chiller ,温度调节

28、系统等离子刻蚀工艺对温度的要求很高。等离子体放电过程中会产生热量，这会使得上 下电极以及墙壁温度升高。所以上下电极以及工艺腔壁需要进行温度控制，并且电 极和腔壁的温度要求不一样，一台Chiller要对一个工艺腔的三个地方进行独立调节Keatef温度调节器的示意图下电极（放置玻璃基板）的温度调节范围为20-50 C,上电极为20-90 C,腔壁的温度调节范围为20-60 C。用于循环的冷却剂采用的是 Galden液，这种液体绝缘,并具有很好的稳定性。总个温度控制由系统内的温度传感器、电路和控制器调节完成。压力调节和真空系统压力无疑也是工艺中的一个重要参数，它主要由真空泵，APC,真空计等真空设备

29、进行控制。干法刻蚀设备的主要性能指标干法刻蚀设备的功能是在薄膜上准确复制特征图形，从生产产品的角度讲可以归于两方面：产量和良率。具体到设备上就对其性能指标提出一些要求。简单的讲，产量，对应的是干法刻蚀设备的刻蚀速率和机台的稼动力；良率，对应的是干法刻蚀的刻蚀均匀性、刻蚀选择性、损伤和污染。刻蚀速率和稼动力Etching MaterialsEtching Ratea-Si2000?/minn+ a-Si1000?/minSiNx3000?/min上表给出的是干法刻蚀工艺中需刻蚀的材料及其刻蚀速率。但这只是单纯的指膜材 料刻蚀的速率，并且这个数值可以通过修改工艺参数进行调节。实际上，刻蚀前的 准备

30、（上下物料，抽真空等等）和刻蚀后的处理都要占用时间而影响产量。所以在 工艺过程中，真空设备的抽气时间、吹扫时间，物料的传送等等动作都是需要考量的。另，TEL机台的刻蚀稼动力为85%。良率相关的参数刻蚀均匀性AreaGuaranteed ValueWithin sheet 10%Sheet to sheet 5%Chamber to chamber 4SiNx/Mo 10颗粒污染Particle SizeAmount 1 (im 3(im4 , SiNx/Mo 10 。刻蚀均匀性，均匀性是衡量刻蚀工艺在整块基板，基板之间，或者整个批次之间刻蚀能力的参数。我们测量基板的一般方法是在玻璃基板上选取13个测量点，由公式(Max - Min) / (Max + Min) *100 得到(单位，%)。在TFT-LCD工艺中，并不能保证刻蚀的完全均匀，所以为了解决刻蚀结束后还存 在刻蚀残留的问题，一般都采取稍微过刻蚀的办法。均匀性测量点选取的位置残留物，刻蚀残留物是指刻蚀后留在基板表面不想要的材料，它常常覆盖在工艺腔 体内壁或被刻蚀图形的底部。其产生的原因很多，例如被刻蚀层中的污染物，选择了不合适的刻蚀