反应等离子刻蚀及离子束设备及工艺.docx

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反应等离子刻蚀及离子束设备及工艺

刻蚀的基本原理

IBE刻蚀原理及设备

RIE刻蚀原理及设备

ICP刻蚀原理及设备

工艺过程、检测及仪器

2

刻蚀的基本原理

刻蚀

用物理的、化学的或同时使用化学和物理的方

法，有选择地把没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分

材料去除，从而得到和抗蚀剂完全一致的图形

3

刻蚀的基本原理

干法刻蚀过程示意

离子轰击

掩膜

衬底

4

刻蚀的基本原理

刻蚀种类:

①干法刻蚀

利用等离子体将不要的材料去除（亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法）

②湿法刻蚀

利用腐蚀性液体将不要的材料去除

干法刻蚀工艺特点：

①好的侧壁剖面控制，即各向异性

②良好的刻蚀选择性;合适的刻蚀速率；好的片内均匀性

③工艺稳定性好，适用于工业生产

5

刻蚀的基本原理

刻蚀参数

刻蚀速率习惯上把单位时间内去除材料的厚度定义为刻蚀速率

刻蚀前

刻蚀后

刻蚀速率=

刻蚀速率由工艺和设备变量决定，如被刻蚀材料类型，刻蚀机的结构配

置，使用的刻蚀气体和工艺参数设置

6

刻蚀的基本原理

刻蚀参数

选择比同一刻蚀条件下，被刻蚀材料的刻蚀速率与另一种材料的刻

蚀速率的比。

均匀性衡量刻蚀工艺在整个晶片上，或整个一批，或批与批之间刻蚀能力

的参数

NU（%）=（Emax-Emin）/2Eave

7

刻蚀的基本原理

刻蚀剖面被刻蚀图形的侧壁形状

各向异性：

刻蚀只在垂直于晶

片表面的方向进行

各向同性：

在所有方

向上以相同的刻蚀速

率进行刻蚀

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IBE刻蚀原理及设备

离子束刻蚀（IBE）原理

•离子束刻蚀是利用具有一定能量

的离子轰击材料表面，使材料原

子发生溅射，从而达到刻蚀目的

把Ar、Kr或Xe之类惰性气体充

入离子源放电室并使其电离形成

等离子体，然后由栅极将离子呈

束状引出并加速，具有一定能量

的离子束进入工作室，射向固体

表面撞击固体表面原子，使材料

原子发生溅射，达到刻蚀目的，

属纯物理过程。

9

IBE刻蚀原理及设备

离子源构成及工作原理

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IBE刻蚀原理及设备

IBE刻蚀特点

9方向性好，各向异性，无钻蚀，陡直度高

9分辨率高，可小于0.01μm

9不受刻蚀材料限制（金属or化合物，无机物or有机物，绝缘体or半导体均可）

9刻蚀过程中可改变离子束入射角θ来控制图形轮廓

离子束刻蚀速率影响因素

A.被刻蚀材料种类

B.离子能量

C.离子束流密度

D.离子束入射角度

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IBE刻蚀原理及设备

IBE-A150设备

离子源

电控柜

真空室

分子泵

冷却水

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IBE刻蚀原理及设备

IBE相关刻蚀数据

离子能量：

350eV

材料刻蚀速率

材料

刻蚀速率材料刻蚀速率

nm/min

nm/min

7-8

nm/min

34-36

55

Ni

17-18

Ti

GaN

Au

SiO217-18

Al

15-16

5-6

Ge

Si

33-34

17-18

TiN

GaAs

ITO

AZ胶

32-34

18

35-40

离子能量：

300eV

材料刻蚀速率

材料

刻蚀速率材料刻蚀速率

nm/min

nm/min

10

nm/min

35-37

PMMA21

AZ胶

Au

Si

14-15

Ni-Cr合金10-12

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IBE刻蚀原理及设备

Glass

Si

Ni

14

IBE刻蚀原理及设备

IBE操作注意事项

•启动离子源之前，必须确保离子源室和工件台通入冷却水

•如果刻蚀工艺采用离子束入射角度≥30度时，在刻蚀时间

到达预定值10s前，必须将工件台转回水平位置

•为更好的传递热量，放片时需在片子背面涂硅脂

放片、取片过程中应尽量避免油脂玷污片子图形表面

•取片后用异丙醇擦去工件台上硅脂

•抽真空次序不能错，开主阀前要确认真空度达到-1级

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RIE刻蚀原理及设备

反应离子刻蚀（RIE）刻蚀原理

一种采用化学反应和物理

离子轰击去除晶片表面材

料的技术

•刻蚀速率高、可控

•各向异性，形貌可控

•选择比高

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RIE刻蚀原理及设备

排放

分离

解吸

扩散

等离子体工艺

反应

表面扩散

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RIE刻蚀原理及设备

18

RIE刻蚀原理及设备

TEGALPLASMAETCHER,MODEL903e

适用于150mm单片晶片上的SiO2和Si3N4的刻蚀；

刻蚀温度能控制在20－35度之间

主机

显示器

射频源

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RIE刻蚀原理及设备

1

2

SiO2刻蚀

光刻胶掩膜Profirle85-90°

刻蚀均匀性<+/-5%

Si3N4刻蚀

光刻胶掩膜

刻蚀均匀性<+/-5%

Profile85-90°

典型刻蚀速率：

PSG6000Å/min

热氧化SiO24000Å/min

典型刻蚀速率：

Si3N44000Å/min

PSG6000Å/min

选择比：

SiO2:

PR>5:

1

SiO2:

silicon/polysilicon>=10:

1

选择比：

Si3N4:

PR>3:

1

Si3N4:

aluminum>100:

1

20

RIE刻蚀原理及设备

RIE操作注意事项

•初始设置为6寸片刻蚀，必须放在两侧片架里，左侧进

片，右侧出片

•每次程序运行前要将两边片架重新手动定位

•射频源功率不宜设置过高，小于500W

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ICP刻蚀原理及设备

电感耦合等离子体（ICP）刻蚀原理

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，此电极为直径

205mm的圆形平台，机械手

送来的石英盘和样品放在此台

上进行刻蚀。

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ICP刻蚀原理及设备

RIE与ICP比较

RIE

ICP

离子密度低（~10

9

~10

/cm

103

）

离子密度高（>10/cm）（刻蚀速率

113

高）

离子密度与离子能量不能分别控制（离子密度由ICP功率控制，离子能

量由RF功率控制

离子密度大，离子能量也大）

离子能量低，刻蚀速率低

在低离子能量下可控离子流量达到

高刻蚀速率（形貌控制）

低压下刻蚀速率低

低压下由于高离子流量从而维持高

刻蚀速率

DCBias高损伤大

低DCbias损伤小

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ICP刻蚀原理及设备

OxfordPlasmalabSystem100ICP180

温控

能量产生

真空

气路

Wafers经由loadlock后再进出反应腔,确保反

应腔维持在真空下不受粉尘及湿度的影响.

将有毒气体及危险气体与超净室隔离开

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ICP刻蚀原理及设备

•ICP功率:

0-3000W

•RF功率：

0-1000W

•压力范围:

1-100mT

•加工范围：

6寸

•工艺气体：

Cl2,BCl3,HBr,CH4,He,O2,

H2,N2

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ICP刻蚀原理及设备

氦气冷却原理

藉由氦气良好的热传导特性,能将芯片上温度均匀化

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ICP刻蚀原理及设备

27

ICP刻蚀原理及设备

ICP相关刻蚀数据

Material

UniformityRepeatability

2”

EtchrateProcess

（µm/min）Gas

MaskSelectivity

Profile

<±2%（1x<±2%

80°±2°

2”）

<±4%（4x

2”）

GaN

0.5~1

>0.3

BCl3/Cl2SiO25~10:

1

<±3%（1x<±3%

2”）

90°±2°

BCl3/Cl2PR

>5:

1

GaAs

<±3%（1x<±3%

2”）

75°-

90°±3

°

Controllabl

e

GaAs

Via

>2

>2

BCl3/Cl2

HBr

PR

>20:

1

>10:

1

<±3%（1x<±3%

2”）

90°±2°

InP

SiO2

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ICP刻蚀原理及设备

GaAs刻蚀

29

ICP刻蚀原理及设备

GaAs穿孔刻蚀

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ICP刻蚀原理及设备

GaN刻蚀

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ICP刻蚀原理及设备

InP刻蚀

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ICP刻蚀原理及设备

ICP操作注意事项

•小片刻蚀时需要在片子背面涂真空油脂，放片、取片过程中应尽

量避免油脂玷污片子图形表面，可用异丙醇擦除

•ICPService模式权限很大，为避免误操作，仅限关闭真空装置时

操作

•在手动模式下进行托盘定位时，一定要注意门阀的开启状态及卡

盘的升起与否，以免造成机械手、阀门、卡盘损坏

•射频源功率不宜设置过高,ICP小于2000W,RF小于500W

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ICP刻蚀原理及设备

加工过程中参数调节

刻蚀速率，化学反应

温度

功率

离子密度，离子能量

离子密度，离子方向性，化学刻蚀

气体流量，反应物材料，反应物洁净度，掩膜材料

压力

其他

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工艺过程、检测及仪器

¾刻蚀前的准备要点

操作者必须仔细认真阅读操作说明，并明确每个部件在刻蚀系统中

的作用

检查水、电、气是否接好，并打开电源，冷却循环水，N2及压缩空

气

¾检查所刻蚀的样品情况，掩膜厚度

光学显微镜-表面洁净度，粗糙度

SEM-掩膜形貌，表面粗糙度

膜厚仪/台阶仪/光学轮廓仪-掩膜/薄膜厚度

¾若工作腔室处于真空，须先放气然后再放入刻蚀样品。

进入真空室系统的样品或零件，绝对要求外部干净，尤其防止将水

和易挥发性的固体或液体带入系统，放好样品后，即可开始抽真空

刻蚀过程中密切关注监控系统，程序运行中不稳定情况，记录所有

参数（功率，气体流量等）

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工艺过程、检测及仪器

¾刻蚀后的检查

（1）正面颜色是否异常及刮伤

（2）有无缺角及Particle

•测量台阶高度——台阶仪，

•测量膜厚——膜厚仪，

•剖面形貌——SEM/光学轮廓仪

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•刻蚀上机操作培训400元（暂定）

•上机操作培训后有实习期

实习期间需在平台刻蚀组人员在场的情

况下进行操作

查强

王瑗

Email：

Email：

TEL：

，

37

谢谢

38

附件

•IBE操作流程

装片

1关闭真空计“POWER”开关。

2关闭工作台上的“主阀”按钮。

3打开“放气阀”按钮。

4等待1分钟左右，待N2充满整个真空室后，打开真空室门板，关闭“放

气阀”按钮。

5粘片：

将样品台中间区域均匀的涂上为样片大小薄薄一层“7501”硅脂，

用镊子夹住样片，将样片一边贴在硅脂上，慢慢地放下另一边，用镊

子按住样片一端，在硅脂上稍稍移动样片，以便赶走样片与硅脂之间

的气泡，使得样片与硅脂紧密粘在一起。

（注意：

如果用力过大，片

子可能会碎裂）

6完成粘片操作后，关闭真空室门板。

7关闭“下道阀”按钮，打开“上道阀”按钮，此时机械泵对真空室抽取真

空。

等两分钟后，打开真空计“POWER”开关。

8待真空计上显示“9E-1”时,打开“下道阀”按钮关闭第一组合单元上的“上

道阀”按钮。

9开启“主阀”，等待第三单元右边的真空计到达“5E-4”以下时，便可进行

下面的刻蚀操作了

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刻蚀

1开启“气体流量显示及控制”这一栏下方的截止阀，并将截止阀上方的开关拨向“阀控”，旋

其右方的旋钮根据需要设定Ar气的气体流量。

（一般稳定在4.7Sccm）

2开启“刻蚀时间显示及控制”在这一栏下方“旋转”与“冷却”按钮，并设定所需要的刻蚀时间。

3开启离子源开关，设定参数如下：

3.1调节“阴极”旋钮，使其上方的阴极电流量程表指示为5.5A-6A。

3.2调节“阳极”旋钮，直至起弧为止。

（即阳极电流量程表有指数）

3.3调节“加速”旋钮，使其上方的加速电压量程表指数为180V。

3.4调节“屏栅”旋钮，使“离子能量”显示为所需要的数值。

（此时加速电压可能会有

波动，再次适当调节“加速”旋钮和“屏栅”旋钮，使其加速电压和离子能量达到所需要

的数值）。

3.5调节“阴极”和“阳极”旋钮，使得“离子束流”显示为所需要的数值，同时要保证阳

极电压量程表指示数为45V左右。

（因为各电源之间有关联，调节过程需要配合进

行）

3.6调节“中和”旋钮，使得“中和电流”显示为所需要的数值。

（中和电流一般为离子

束流的1.3---1.5倍之间）

4参数设定完毕后，开启“时控”按钮，此时，载片台上方的挡板移开，刻蚀开始，

如果需要一定的入射角进行刻蚀，可以旋转门板上的手柄，使其载片台旋转至所需

要的角度。

5按所规定的时间刻蚀完毕后，关闭“时控”按钮，此时，载片台上方的挡板又重新

回到片子的上方了。

（注意：

如果刻蚀过程中，载片台有一定的角度，则在挡板重

新回到片子上方前一定要将载片台扳到原来的0度，以免挡板与载片台相撞）

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6关闭离子源各旋钮。

6.1关闭“中和”旋钮

6.2调节“屏栅”旋钮，使其离子能量降为200ev左右

6.3关闭“加速”旋钮

6.4关闭“屏栅”旋钮

6.5同时关闭“阴极”“阳极”旋钮

6.6关闭离子源开关

7关闭“旋转”按钮，等两分钟后，关闭“冷却”按钮（如果刻蚀时间长，需要多等一段时间再

关“冷却”）

8将“气体质量流量显示及控制”这一栏下方的开关拨向“关闭”，关闭其下方的截止阀。

取片

1关闭真空计“POWER”开关

2关闭“主阀”按钮

3打开“放气阀”按钮

4等待1分钟左右，待N2充满整个真空室后，打开真空室门板。

5用镊子将样片夹起，放到滤纸上。

6用酒精棉球将样品台上的硅脂擦拭干净，待样品台上的酒精挥发干净后，关闭

真空室门板。

7关闭“放气阀”按钮，关闭“下道阀”按钮，开启“上道阀”按钮。

等几分钟后，开启

真空计“POWER”开关。

8待真空计上显示“9E-1”时，开启“下道阀”按钮，关闭“上道阀”按钮。

9打开“主阀”，此时系统开始抽取高真空。

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ICP操作流程

装片

1.在Pump界面点击左边Pump图标下Stop，切换至Vent，120s后打开Loadlock

2.涂抹真空油脂：

根据片子尺寸大小，在托盘上涂抹均匀一层油脂

3.放片：

放片的时候要用镊子轻轻夹住样片，将样片一边贴在油脂上，慢慢地放

下另一边，用镊子按住样片一端，在油脂上稍稍移动样片，以便赶走样片与油脂

之间的气泡，使得样片与油脂紧密粘在一起。

（注意：

如果用力过大，片子可能

会碎裂）

抽真空

1.在Pump界面点击左边Pump图标开启小机械泵，预抽Loadlock,至真空度到-2时

可以进行刻蚀操作

2.选择所需加热模式：

根据样品选择所需加热模式HeaterorChiller，设定加热或冷却温度。

当温度与真空度达到要求后进入Chamber界面

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刻蚀

1.根据要求设定程序，确定工艺参数（气体流量、ICP功率、RF功率、压力、温

度、时间等）

2.程序运行时，看起辉是否正常，适当修正匹配功率

取片

刻蚀完毕后，在Pump界面点击左边Pump图标下Stop，切换至Vent，打开

Loadlock

去真空油脂

参照光刻工艺操作规范相应的去胶工艺步骤操作。

结束后，检测并完成实验记

录，移交样品。

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