刻蚀技术中的相关概念

一、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。如图1所示，刻蚀速率=△d/t。刻蚀速率由工艺和设备变量决定，如被刻蚀材料种类、刻蚀机的结构、使用的刻蚀气体种类以及配比、射频功率、腔室压力等。

图 1刻蚀速率

一般增加刻蚀气体的流量、增大射频功率等方法可以得到更快的刻蚀速率，但并不是刻蚀速率越快越好。一方面刻蚀速率太快而无法控制，这样就无法用于工业生产；另一方面，还要均衡刻蚀均匀性、刻蚀形貌等其他刻蚀质量的参数。所以某一类型机台在特定条件下会有一个大概的刻蚀速率范围。下表给出了几种干法刻蚀机台对不同刻蚀材质的速率范围：

表1 不同机台对不同刻蚀材质的速率范围（单位：Å/min）

二、刻蚀的剖面形貌

不同的刻蚀机制将对刻蚀后的轮廓（Profile）产生直接的影响。如图2所示，纯粹的化学刻蚀通常没有方向选择性，上下左右刻蚀速度相同，刻蚀后将形成圆弧状的轮廓，并在掩膜（Mask）下形成底切（Undercut），这种刻蚀被称为各向同性刻蚀（Isotropic Etching）。各向同性刻蚀通常对下层物质具有很好的选择比，但线宽不易控制。而各向异性刻蚀（Anisotropic Etching）则是借助具有方向性的离子撞击，进行特定方向的刻蚀，形成垂直的轮廓。采用非等向性刻蚀，可定义出细微的线宽。

图 2 各向同性与各向异性刻蚀

干法和湿法刻蚀都会形成底切现象，只是形成的大小不同。湿法刻蚀由于是各向同性刻蚀具有对物质的侧向刻蚀能力，导致掩膜下的被刻蚀物质形成了圆弧状的凹坑。而干法的各向异性刻蚀在纵向上刻蚀能力强，但对侧壁也会有少量的刻蚀，因此在掩膜下会形成较小的底切。同理，刻蚀到了一定的深度若有终止层的存在（例如在SOI片上刻蚀硅，有介质层SiO2作为终止层），为了保证各个区域的刻蚀干净，刻蚀会有一定的过刻时间，此时会在底部形成小凹槽，此种在刻蚀底部的小凹槽业界称之为notch（凹槽）。

另外，在干法的深硅刻蚀中有一种Bosch（博世）工艺具有刻蚀步骤与钝化步骤循环往复交替进行的工艺特点，导致刻蚀后侧壁具有微小锯齿状的形貌，此形貌称为侧壁粗糙度（scallop）。图3给出了底切、底部凹槽以及侧壁粗糙度的示意图。

图 3 干法刻蚀后的undercut、scallop和notch

三、刻蚀偏差

刻蚀偏差又叫线宽损失（CD Bias），是指刻蚀前后关键尺寸（Critical Dimension，CD）的变化。如图4所示，Wa表示刻蚀后的线宽，Wb为刻蚀前光刻胶的线宽。刻蚀偏差一般定义为Wb – Wa。此偏差变化可能是正直，也可能是负值，这是由刻蚀的工艺条件决定的。

图4 刻蚀偏差

四、选择比

在刻蚀过程中，被刻蚀物质上层的掩膜（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被刻蚀，如图5所示。

图5 刻蚀前和刻蚀后比较

选择比即为不同物质之间刻蚀速率的比值。其中又可分为对掩膜物质的选择比及对待刻蚀物下层物质的选择比。选择比要求越高越好，高选择比意味着只刻蚀想要刻去的那一部分材料。如图6所示，Ef：被刻蚀材料的刻蚀速率，Er：掩膜层材料的刻蚀速率，则选择比可以表示为S＝Ef / Er。

图 6 刻蚀选择比

相对于湿法刻蚀，干法刻蚀的选择比偏低。这主要是因为干法刻蚀的离子体轰击效应是不区分材质的。因为不同的掩膜对同一种工艺具有不同的选择比，因此选择比不仅影响此步干法刻蚀工艺，也影响着工艺流程中掩膜材料、掩膜方式的选择。表2给出不同机台在刻蚀不同材料时对各种掩膜的选择比，由于工艺变化对此参数影响很大，下表只是在一定工艺条件下的范围。

表2 不同机台对不同刻蚀材质的选择比（掩膜刻蚀速率为1）

五、深宽比

深宽比即刻蚀深度与此沟槽线宽的比值，如图7所示。此参数表征了刻蚀机台的能力，深宽比越大，机台能力越强。表3给出两种刻蚀机型对硅刻蚀的深宽比，Rapier表现出优异的深硅刻蚀能力。

图7 刻蚀深宽比

表3 不同机台刻蚀Si工艺的深宽比以及侧壁形貌图

六、均匀性

刻蚀均匀性是一种衡量刻蚀工艺在整个硅片上，或片与片之间，或批与批之间刻蚀能力的参数。保持硅片的均匀性是保证制造性能一致性的关键。实际生产中一般测量芯片的5点位置来计算片内均匀性。如图8所示，分别为上下左右4点（剔除外围5mm）加中间1点。均匀性的计算公式为：

均匀性(%) = ±【(最大值 – 最小值) / (平均值 * 2)】* 100%

而片间（或批间）刻蚀均匀性（又称重复性），其计算公式为：

重复性(%) = ±【(最大平均值 – 最小平均值) / (平均值 * 2)】* 100%

图8 硅片上量测5点位置

七、Loading Effect

刻蚀过程中硅片表面的形貌差异会导致刻蚀速率的差异，此种差异称之为Loading Effect。具体表现为小线宽沟槽的刻蚀速率小于大线宽沟槽，如图9所示。这是由于反应气体不易扩散进入小线宽沟槽，同时生成物也不易从小线宽沟槽中扩散出来。降低腔室的压力可以改善此种现象，但压力过低会导致起辉不稳定等其他问题的出现，所以工艺调整时需要均衡考虑其他影响因素。

图9 Loading Effect示意图