刻蚀技术(etching technique),是在半导体工艺,按照掩模图形或设计要求对半导体
衬底表面或表面覆盖薄膜进行
选择性腐蚀或剥离的技术。刻蚀技术不仅是
半导体器件和
集成电路的基本
制造工艺,而且还应用于
薄膜电路、
印刷电路和其他微细图形的加工。
刻蚀还可分为
湿法刻蚀和
干法刻蚀。
普通的
刻蚀过程大致如下:先在表面涂敷一层
光致抗蚀剂,然后透过掩模对抗蚀剂层进行选择性曝光,由于抗蚀剂层的已曝光部分和未曝光部分在
显影液中溶解速度不同,经过显影后在
衬底表面留下了抗蚀剂图形,以此为掩模就可对衬底表面进行
选择性腐蚀。如果衬底表面存在介质或金属层,则选择腐蚀以后,图形就转移到介质或金属层上。
由于曝光束不同,刻蚀技术可以分为
光刻蚀(简称
光刻)、
X射线刻蚀、
电子束刻蚀和
离子束刻蚀,其中离子束刻蚀具有分辨率高和感光速度快的优点,是正在开发中的新型技术。
刻蚀的机制,按发生顺序可概分为「
反应物接近表面」、「
表面氧化」、「表面反应」、「
生成物离开表面」等过程。所以整个刻蚀,包含反应物接近、生成物离开的
扩散效应,以及
化学反应两部份。整个刻蚀的时间,等于是扩散与化学反应两部份所费时间的总和。二者之中孰者费时较长,整个刻蚀之快慢也卡在该者,故有所谓「reaction limited」与「diffusion limited」两类刻蚀之分。
最普遍、也是设备成本最低的刻蚀方法。其影响被刻蚀物之
刻蚀速率 (etching rate) 的因素有三:刻蚀液浓度、刻蚀液温度、及搅拌 (
stirring) 之有无。定性而言,增加刻蚀温度与加入搅拌,均能有效提高刻蚀速率;但浓度之影响则较不明确。举例来说,以49%的HF刻蚀SiO2,当然比
BOE (Buffered-Oxide- Etch;HF:NH4F =1:6) 快的多;但40%的
KOH刻蚀Si的速率却比20%KOH慢! 湿刻蚀的配方选用是一项
化学的专业,对于一般不是这方面的研究人员,必须向该化学专业的同侪请教。一个选用湿刻蚀配方的重要观念是「选择性」(
selectivity),意指进行刻蚀时,对被蚀物去除速度与连带对其他材质 (如刻蚀
掩膜;etching mask, 或承载被加工薄膜之基板;substrate ) 的
腐蚀速度之比值。一个具有高选择性的
刻蚀系统,应该只对被加工薄膜有
腐蚀作用,而不伤及一旁之刻蚀掩膜或其下的
基板材料。
大部份的湿刻蚀液均是等向性,换言之,对刻蚀接触点之任何方向腐蚀速度并无明显差异。故一旦定义好刻蚀掩膜的图案,暴露出来的区域,便是往下腐蚀的所在;只要刻蚀配方具高选择性,便应当止于所该止之深度。
然而有鉴于任何被蚀薄膜皆有其厚度,当其被蚀出某深度时,刻蚀掩膜图案边缘的部位渐与刻蚀液接触,故刻蚀液也开始对刻蚀掩膜图案边缘的底部,进行蚀掏,这就是所谓的
下切或
侧向侵蚀现象 (undercut)。该现象造成的图案侧向误差与被蚀薄膜厚度同
数量级,换言之,湿刻蚀技术因之而无法应用在类似「
次微米」
线宽的精密制程技术!
先前提到之湿刻蚀「选择性」观念,是以不同材料之受蚀快慢程度来说明。然而自1970年代起,在诸如Journal of Electro-Chemical Society等期刊中,发表了许多有关碱性或有机溶液腐蚀
单晶硅的文章,其特点是不同的
硅晶面
腐蚀速率相差极大,尤其是<111>方向,足足比<100>或是<110>方向的腐蚀速率小一到两个
数量级!因此,腐蚀速率最慢的
晶面,往往便是腐蚀后留下的特定面。
干刻蚀是一类较新型,但迅速为半导体工业所采用的技术。其利用
等离子体 (plasma) 来进行半导体
薄膜材料的刻蚀加工。其中等离子体必须在
真空度约10至0.001 Torr 的环境下,才有可能被激发出来;而
干刻蚀采用的气体,或轰击质量颇巨,或
化学活性极高,均能达成刻蚀的目的。
干刻蚀基本上包括「离子轰击」(
ion-
bombardment)与「化学反应」(chemical reaction) 两部份刻蚀机制。偏「离子轰击」效应者使用
氩气(argon),加工出来之边缘侧向侵蚀现象极微。而偏「化学反应」效应者则采氟系或氯系气体(如
四氟化碳CF4),经激发出来的等离子体,即带有氟或氯之离子团,可快速与芯片表面材质反应。
干刻蚀法可直接利用
光阻作刻蚀之阻绝遮幕,不必另行成长阻绝遮幕之
半导体材料。而其最重要的优点,能兼顾边缘侧向侵蚀现象极微与高刻蚀率两种优点,换言之,本技术中所谓「活性
离子刻蚀」(reactive ion etch;
RIE) 已足敷「次微米」线宽制程技术的要求,而正被大量使用中。