85、干法刻蚀技术：原理、参数与应用

干法刻蚀技术：原理、参数与应用

1. 引言

在材料加工和微纳制造领域，刻蚀技术至关重要。等离子体刻蚀作为一种干法刻蚀方法，因能替代微电子行业中的湿法刻蚀而备受关注。离子的撞击可引发刻蚀、沉积、溅射或注入等过程。在等离子体中，除了离子，还会形成与薄膜材料反应活性极高的离解自由基。这些自由基会导致类似于湿法刻蚀的自发各向同性刻蚀，同时入射离子会增强定向刻蚀。

2. 干法刻蚀原理

• 图案转移 ：图案转移涉及从表面去除材料。考虑一个由厚度为 (h_{PR}) 的掩膜层界定的宽度为 (d) 的图案，要将其转移到沉积在衬底上厚度为 (h_{F}) 的薄膜上。湿法刻蚀是各向同性的，会导致底切轮廓，这在期望 (h/d >> 1) 的情况下是不可接受的。相反，等离子体中的正离子在鞘层中加速进行干法刻蚀，可提供所需的方向性和侧壁控制，实现定向刻蚀或垂直图案转移。在某些情况下，如平板显示器（FPD）中薄膜晶体管（TFT）的栅极金属刻蚀，为了使刻蚀后的栅极金属上方材料均匀沉积，更倾向于采用倾斜定向刻蚀。
• 刻蚀机制步骤 ：
  1. 等离子体 - 鞘层 - 表面系统中活性物种（原子、分子、离子）的产生和传输。
  2. 活性物种在表面的物理吸附或化学吸附。
  3. 反应物的离解、与表面化学键的形成、扩散以及可解吸物种的形成。
  4. 产物物种从表面解吸并传输到等离子体中。
  5. 刻蚀产物的可能再沉积。
• 材料去除过程 ：
  • 溅射 ：各向异性过程，通过高能离子去除材料。对于给定的离子能量，溅射产额主要取决于表面结合能，这使得该过程不具有选择性。溅射产额与入射角的关系会导致小平面的形成。离子溅射的主要优点是能够去除铜等非挥发性副产物。
  • 化学刻蚀 ：涉及等离子体中的非带电活性物种与表面反应形成挥发性产物。该过程是各向同性的，但可以具有高度选择性。
  • 离子增强能量驱动刻蚀 ：活性物种和高能离子的同时作用导致刻蚀产额高于单独作用时的产额。然而，根据侧壁的自发化学刻蚀速率，该过程的各向异性刻蚀轮廓可能较差。
  • 离子抑制刻蚀 ：将活性物种和高能离子与抑制剂前体分子结合，在侧壁上形成钝化层。结果是在高能离子的辅助下，沟槽底部实现更各向异性的刻蚀，同时侧壁受到保护免受刻蚀剂的侵蚀。

3. 刻蚀参数、要求和挑战

• 刻蚀速率 ：通常以纳米每分钟为单位测量，是一个重要的 throughput 因素，对于将刻蚀工艺从实验室转移到生产线至关重要。刻蚀速率需要在整个衬底面积上均匀（低于 10%），垂直和水平刻蚀速率可能不同。
• 方向性（各向异性）和轮廓控制 ：刻蚀特征边缘必须根据要刻蚀的 TFT 材料倾斜或接近垂直。存在几种轮廓失真，包括缺口、弯曲、沟槽或小平面化，每种都可以通过适当的轮廓控制程序解决。
• 选择性 ：图案转移涉及掩膜和光刻胶或不同材料的使用。为了刻蚀高纵横比（(h >> d)）的沟槽，块状材料的刻蚀速率应高于光刻胶的刻蚀速率。选择性定义为一种材料的刻蚀速率与另一种材料的刻蚀速率之比。
• 侧壁钝化 ：离子增强能量驱动刻蚀中的自由基有助于获得倾斜轮廓，但在获得垂直轮廓时存在缺点，因为各向同性刻蚀会导致底切，需要加以抑制。可以通过控制等离子体放电化学（添加气体、光刻胶的分解和再沉积、降低衬底温度）形成侧壁保护膜来实现垂直轮廓。
• 纵横比相关刻蚀（ARDE）或反应离子刻蚀滞后效应 ：与刻蚀速率依赖于刻蚀图案的纵横比有关，主要是由于衬底处离子通量的减少、掩膜层产物的沉积或非挥发性产物的再沉积引起的。在 FPD 加工中，由于要刻蚀的 FPD 材料纵横比较小，未观察到明显的 ARDE 效应。
• 等离子体损伤 ：可能由高能离子轰击、金属成分污染以及潜在天线效应或电荷积累引起的充电导致。

4. 干法刻蚀的等离子体源

根据向电子传递能量的方式，用于干法刻蚀的主要等离子体源可分为电容耦合等离子体（CCP）、电感耦合等离子体（ICP）、电子回旋共振（ECR）、表面波等离子体（SWP）和螺旋波等离子体（HWP）。

等离子体源类型	(N_0 (m^{-3}))	(T_e (eV))	(V_{pl} (V))	优点	缺点
CCP	(10^{15}–10^{16})	(3–5)	(20–30)	设计简单，成本适中	等离子体密度低，存在驻波和电报效应
ICP	(10^{16}–10^{17})	(2–4)	(10–20)	高密度，成本适中	大面积天线设计复杂
Helicon	(10^{17}–10^{19})	(1–3)	(10–30)	高密度，每个螺旋源可独立调谐	需要磁场，存在模式跳跃，单个源建设成本高
ECR	(10^{16}–10^{17})	(1–3)	(5–15)	高密度，每个 ECR 单元可独立调谐，可在非常低的压力下运行	微波功率分配和单元建设成本高
SWP	(10^{17}–10^{18})	(1–3)	(5–10)	高密度，电子温度低	缝隙天线设计复杂，需要在顶部或波导内使用大的电介质

• 电容耦合等离子体（CCP） ：用于 FPD 加工的 CCP 包括两个浸入相对高压腔室（几百毫托至几托）中的电极，间距为几厘米，并施加兆赫兹范围的射频功率。电极可以面积相同（对称放电）或不同（不对称）。在每个电磁场周期内，两个电极处形成的鞘层会振荡，通过随机加热加速一些高能电子，同时在体等离子体中发生欧姆加热。CCP 放电的主要特点是中等密度（约 (10^{16} m^{-3})）、电子温度约为 (3 - 5 eV) 以及等离子体电位高于 (10 V)。由于电极处的振荡鞘层，离子能量分布函数呈双峰型，两峰之间由一个平台连接。峰间距与质量有关，可以通过改变激发频率或电极两个不同电源之间的相位来控制。CCP 自 20 世纪 80 年代以来就广泛用于干法刻蚀，等离子体刻蚀模式（衬底位于接地电极，化学反应控制刻蚀）和反应离子刻蚀（RIE）模式（衬底位于功率电极，化学 + 物理反应控制刻蚀）分别用于生成倾斜刻蚀轮廓和垂直轮廓。然而，这些源存在离子通量和离子能量无法独立控制的问题，因为增加射频电压提高等离子体密度的同时也会提高鞘层电位，从而同时增加撞击衬底的离子能量。后来用于半导体器件加工的 CCP 发展包括添加与电极平行的磁场以提高等离子体密度，或用不同频率（如 2 和 40 MHz）对电极进行偏置以控制离子能量分布函数。CCP 放电常用于生产面积大于 (1 m^2) 的平板显示器用 TFT，但应用于更大衬底时受到电极间电磁波传播效应（驻波效应）引起的等离子体不均匀性的限制，在高频下电极尺寸大于真空中激发频率的几十分之一时，驻波效应会增强。可以使用高斯形顶部电极来抑制驻波效应。不对称放电还会受到等离子体中射频电流重新分布（电报效应）的影响，可以通过使用对称电极来减少这种影响。
• 电感耦合等离子体（ICP） ：将射频功率耦合到放电的另一种方法是使用外部天线，通过对射频场透明的介电板将能量注入等离子体。这种配置使电极与等离子体直接接触分离，提供电感耦合，避免了鞘层上的大电压，离子能量从 CCP 的超过 (100 V) 降至 ICP 的低于 (30 V)。此外，可以通过在衬底上施加独立的射频偏置来控制离子能量。电子在介电窗口附近（趋肤深度层）通过欧姆和随机机制加热。在相似的射频功率和压力下，ICP 中的等离子体密度比 CCP 高一个数量级。线圈天线可以是平面的，放置在平板介电板的顶部。其他元件可能包括用于减少低功率下主导的寄生电容耦合的屏蔽和用于减少壁损失的永磁体。由于 ICP 源能够以高刻蚀速率和低损伤对大于 (1 m^2) 的衬底进行刻蚀，正在研究用其替代 CCP 作为下一代等离子体源。为了避免驻波效应引起的工艺不均匀性，已经开发了新型天线，包括 U 型或内部线性双梳状配置。此外，使用具有独立控制注入功率的低电感天线模块，开发了具有可控等离子体均匀性轮廓的高密度、低损伤和米级 ICP 等离子体源。这些配置使用覆盖有薄介电层的内部天线，因此不需要在大型真空腔室顶部使用昂贵且易损坏的介电板。进一步的改进包括嵌入磁芯的射频天线，以提高功率传输效率。
• 螺旋波等离子体放电（Helicon Wave Discharges） ：螺旋波等离子体源基于圆柱体内约束的哨声波的激发。在几百高斯的磁场存在下，用设计好的天线激发电磁场。磁场约束电子，扩展趋肤深度层，并有助于控制等离子体均匀性。最常见的天线设计包括名古屋 III 型、半螺旋和双鞍形线圈。电子在体等离子体中占主导地位的 Trivepiece - Gould 模式下通过电子回旋波加热。在天线附近也会发生与混合波或离子声波的非线性或参数耦合。电离因子比 ICP 高，在相似功率下可产生比 ICP 高一个数量级的等离子体密度。用于大面积衬底干法刻蚀的发展包括有或没有磁场的分布式多放电源。通过使用永磁体降低了大型磁体及其电源的高成本。
• 电子回旋共振（ECR）放电 ：当平面极化微波场施加到存在恒定磁场的低压气体中时，其右旋极化（RHP）分量可以与电子发生共振相互作用。对于典型的 (2.54 GHz) 频率，共振将在约 (875) 高斯的磁场下发生。在这种情况下，电子将与 RHP 波同相旋转，在几个轨道上感受到加速电场。电子积累的能量随后通过碰撞分布以产生和维持高密度（(10^{17} m^{-3})）的等离子体。等离子体体积中存在大磁场对于大面积衬底应用不利，因为成本高且存在均匀性问题。这个缺点通过多极和分布式配置（DECR）得到解决，其中使用永磁体将 ECR 区域定位在壁附近。新的发展是矩阵 - ECR 配置，它使用通过水冷磁体注入微波的单个 ECR 单元。这些单元可以以可扩展的配置分布在大型真空腔室的顶部。除了等离子体体积无磁场外，主要优点是可以通过单独调整每个 ECR 单元来控制等离子体均匀性轮廓。
• 表面波等离子体（SWP）放电 ：电磁波只能穿透等离子体的趋肤深度层，但表面波可以沿着等离子体 - 电介质边界传播，加热电子并维持放电。最初的设计包括在由电介质材料制成的圆柱形管中进行表面波传播，波由表面波发生器或表面波导激发。传播距离受到表面波共振密度的限制，在该密度处放电急剧结束。后来引入了平面表面波的概念，其中等离子体在大型电介质板下方产生。板端的反射导致形成驻波图案，尽管在电介质附近驻波会引起明显的最大值和最小值图案，但这大大提高了整体等离子体均匀性。平面 SWP 的波激发使用形状和尺寸经过精心设计的缝隙天线，以确保等离子体与微波源的良好耦合。电子的加热机制尚不完全清楚，但倾向于与等离子体和电介质板界面处截止密度的局部共振区域的渡越时间加热有关。SWP 可以产生大于 (10^{17} m^{-3}) 的等离子体密度，电子温度（(T_e)）低于 ICP（(1 - 3 eV)）。最近报道了用于大面积衬底的米级 SWP，其中腔室顶部的大型电介质板被使用填充有电介质的波导的两到三条线进行平行微波注入所取代。

以下是不同等离子体源的特点对比流程图：

graph LR
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    A([选择等离子体源]):::startend --> B(CCP):::process
    A --> C(ICP):::process
    A --> D(Helicon):::process
    A --> E(ECR):::process
    A --> F(SWP):::process
    B --> B1(优点: 设计简单, 成本适中):::process
    B --> B2(缺点: 等离子体密度低, 驻波和电报效应):::process
    C --> C1(优点: 高密度, 成本适中):::process
    C --> C2(缺点: 大面积天线设计复杂):::process
    D --> D1(优点: 高密度, 独立调谐):::process
    D --> D2(缺点: 需要磁场, 模式跳跃, 成本高):::process
    E --> E1(优点: 高密度, 独立调谐, 低压运行):::process
    E --> E2(缺点: 微波功率分配和单元建设成本高):::process
    F --> F1(优点: 高密度, 低电子温度):::process
    F --> F2(缺点: 缝隙天线设计复杂, 需要大电介质):::process

4. 干法刻蚀的应用实例

• 铟锡氧化物（ITO）的干法刻蚀 ：具有高光学透过率和良好导电性的 ITO 薄膜用于显示器制造。由于这些特性对沉积方法敏感，湿法刻蚀存在刻蚀速率变化、残留物形成和过度侧壁刻蚀等问题。相反，干法刻蚀可以实现精细图案化，但需要优化对 (SiO_2) 和 (Si_3N_4) 底层的选择性。Park 等人使用 (Ar/CH_4) 和 (Ar/H_2) ICP 放电研究了 ITO 薄膜的干法刻蚀特性，包括选择性。在 (Ar/CH_4) 中，ITO 的刻蚀速率约为 (120 nm/min)，对 (Si_3N_4) 的选择性为 9，对 (SiO_2) 的选择性为 4。在 (Ar/H_2) 等离子体中，相似的选择性对应约 (40 nm/min) 的刻蚀速率。他们得出结论，由于聚合物形成的差异，ITO 对 (Si_3N_4) 的刻蚀选择性高于对 (SiO_2) 的刻蚀选择性。目前，尽管干法刻蚀更受青睐，但 ITO 仍主要通过湿法刻蚀。
• TFT - LCD 中栅极金属的干法刻蚀 ：铝是 TFT - LCD 技术中用于栅极电极的材料之一。添加 Ti 和 Nd 可以防止小丘的形成，保持低电阻率并提高耐腐蚀性。然而，由于刻蚀速率低、线宽减小和残留物形成，Al - Nd 难以进行湿法刻蚀。干法刻蚀也面临着对光刻胶具有良好选择性的挑战。Han 等人使用 (Cl_2/BCl_3) 和 (HBr/BCl_3) 气体组合在磁化 ICP 中研究了 Al - Nd 的刻蚀特性。他们报道在 (Cl_2/BCl_3) 中，Al - Nd 的刻蚀速率是纯铝的三分之一，选择性为 0.9。当使用 (HBr/BCl_3) 气体混合物（1:1）时，刻蚀速率约为 (140 nm/min)，对光刻胶的选择性为 1.1。还发现 HBr 优先去除 Nd，而 (BCl_3) 去除 Al。刻蚀速率随压力降低而降低，但随等离子体密度增加而增加。目前，栅极金属部分通过干法刻蚀或湿法刻蚀进行刻蚀。为了使栅极金属上方的栅极介电材料均匀沉积，栅极金属刻蚀轮廓应呈现良好的倾斜刻蚀轮廓。
• 铜薄膜的干法刻蚀 ：由于铜具有高导电性和低成本，被认为是高分辨率、低功耗和大面积 TFT - LCD 金属电极的最佳材料之一。由于湿法刻蚀铜会导致层间和线侧壁晶界的严重腐蚀，因此非常希望用干法刻蚀替代。Jang 等人在可扩展的 ICP 放电中使用 (Ar/Cl_2) 等离子体，同时暴露于紫外线辐射或衬底偏置，研究了铜的干法刻蚀。对于高于 (600 W) 的放电功率和 (75 W) 的衬底偏置，作者报道在没有紫外线的情况下刻蚀速率为 (300 nm/min)。

干法刻蚀技术：原理、参数与应用

5. 不同材料干法刻蚀的对比与分析

为了更清晰地了解不同材料干法刻蚀的特点，下面对 ITO、Al - Nd 等栅极金属以及铜薄膜的干法刻蚀情况进行对比分析，如下表所示：
| 材料 | 湿法刻蚀问题 | 干法刻蚀优势 | 干法刻蚀挑战 | 刻蚀相关数据 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| ITO | 刻蚀速率变化、残留物形成、过度侧壁刻蚀 | 可实现精细图案化 | 需要优化对 (SiO_2) 和 (Si_3N_4) 底层的选择性 | (Ar/CH_4) 中刻蚀速率约 (120 nm/min)，对 (Si_3N_4) 选择性为 9，对 (SiO_2) 选择性为 4；(Ar/H_2) 中等离子体中刻蚀速率约 (40 nm/min) |
| Al - Nd（栅极金属） | 刻蚀速率低、线宽减小、残留物形成 | 可避免部分湿法刻蚀问题 | 需要对光刻胶有良好选择性 | (Cl_2/BCl_3) 中刻蚀速率是纯铝的三分之一，选择性为 0.9；(HBr/BCl_3)（1:1）中刻蚀速率约 (140 nm/min)，对光刻胶选择性为 1.1 |
| 铜薄膜 | 层间和线侧壁晶界严重腐蚀 | 可解决湿法刻蚀腐蚀问题 | 满足 LCD 工艺对大面积等离子体源的可扩展性要求 | 可扩展 ICP 放电中，高于 (600 W) 放电功率和 (75 W) 衬底偏置，无紫外线时刻蚀速率为 (300 nm/min) |

从这个对比表格中可以看出，不同材料在湿法刻蚀时都存在各自的问题，而干法刻蚀虽然有一定优势，但也面临着不同的挑战。对于 ITO 材料，关键在于提高对底层材料的选择性；对于 Al - Nd 等栅极金属，重点是保证对光刻胶的选择性；对于铜薄膜，则要满足大面积等离子体源的工艺可扩展性。

6. 干法刻蚀技术的发展趋势

• 等离子体源的优化 ：随着对刻蚀精度和效率要求的不断提高，等离子体源的性能优化将是一个重要的发展方向。例如，对于 CCP 等离子体源，未来可能会进一步改进其结构和控制方式，以解决离子通量和离子能量无法独立控制的问题，同时更好地抑制驻波和电报效应，使其能够应用于更大尺寸的衬底。对于 ICP 等离子体源，可能会继续研发新型天线结构，提高功率传输效率和等离子体均匀性，降低成本。螺旋波等离子体源可能会在降低磁场成本和优化磁场分布方面进行改进，以提高其在工业生产中的实用性。ECR 等离子体源可能会在微波功率分配和单元设计上进行创新，减少成本并提高可扩展性。SWP 等离子体源则可能会深入研究电子加热机制，优化缝隙天线设计，提高等离子体密度和均匀性。
• 刻蚀工艺的精细化 ：在微纳制造领域，对刻蚀工艺的精度要求越来越高。未来的干法刻蚀技术将朝着更精细化的方向发展，能够实现更小尺寸、更高纵横比的图案转移。这需要对刻蚀参数进行更精确的控制，例如刻蚀速率、方向性、选择性等。同时，还需要开发新的刻蚀机制和工艺，以满足不同材料和应用的需求。
• 与其他技术的集成 ：干法刻蚀技术可能会与其他微纳制造技术，如光刻技术、沉积技术等进行更紧密的集成。通过集成不同的技术，可以实现更复杂的微纳结构制造，提高生产效率和产品性能。例如，在光刻过程中，可以结合干法刻蚀技术进行实时的图案修正和优化；在沉积过程中，可以利用干法刻蚀技术对沉积层进行表面处理，提高沉积质量。

7. 总结

干法刻蚀技术作为微纳制造领域的关键技术之一，在替代湿法刻蚀方面具有重要的优势。它通过等离子体中的离子和活性物种实现材料的去除和图案转移，具有方向性好、可控制等特点。不同的等离子体源，如 CCP、ICP、Helicon、ECR 和 SWP 等，各自具有优缺点，适用于不同的应用场景。在实际应用中，不同材料的干法刻蚀面临着不同的挑战和需求，需要根据具体情况进行优化和选择。

未来，随着科技的不断发展，干法刻蚀技术将在等离子体源优化、刻蚀工艺精细化以及与其他技术集成等方面取得更大的进展，为微纳制造领域带来更多的创新和发展机遇。以下是干法刻蚀技术相关要点的总结流程图：

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    A([干法刻蚀技术]):::startend --> B(原理):::process
    A --> C(等离子体源):::process
    A --> D(应用):::process
    A --> E(发展趋势):::process
    B --> B1(图案转移):::process
    B --> B2(刻蚀机制步骤):::process
    B --> B3(材料去除过程):::process
    C --> C1(CCP):::process
    C --> C2(ICP):::process
    C --> C3(Helicon):::process
    C --> C4(ECR):::process
    C --> C5(SWP):::process
    D --> D1(ITO 刻蚀):::process
    D --> D2(栅极金属刻蚀):::process
    D --> D3(铜薄膜刻蚀):::process
    E --> E1(等离子体源优化):::process
    E --> E2(刻蚀工艺精细化):::process
    E --> E3(与其他技术集成):::process

通过对干法刻蚀技术的深入了解和研究，我们可以更好地掌握其原理和应用，为相关领域的研究和生产提供有力的支持。同时，不断关注其发展趋势，积极探索新的技术和方法，将有助于推动微纳制造技术的不断进步。