第八章    干刻工艺
8.1 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忠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。第五章中已经对湿式刻蚀进行了较详细的介绍。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。
图8.1 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LCD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 LCD Array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LCD前段制程。在本章节中，将针对干刻蚀技术加以说明。
8.2 Dry Etch 的分类及工艺的基本原理                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 
8.2.1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(Profile)产生直接的影响。如图8.2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，形成垂直的轮廓。采用非等向性蚀刻，可定义出较细微的线宽。
                    图8.2 各向同性与各向异性刻蚀
2.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，如图8.3所示。
图8.3 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。
3.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。
4.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，从而会吸引正离子轰击基板表面，增加刻蚀的效应。
                图8.4 电子与正离子分离
            图8.5 上下电极之间的电位分布
8.2.2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。
1. 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
◆ 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                              图8.6 物理溅射（sputter）机理
2. 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
◆ 各向同性刻蚀
◆ 高刻蚀选择比
◆ 高刻蚀速率
◆ 低表面损伤
◆ 反应腔体洁净度较易维持                       
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    图8.7 化学反应性刻蚀机理
的去除等。
图8.8 基于化学反应机制的理想乾蚀刻过程
如图8.8所示，一个仅基于化学反应机制的理想乾蚀刻过程可分为以下几个步骤：（1） 刻蚀气体进入腔体，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)；（2）蚀刻物种藉由扩散、碰撞或场力移至待蚀刻物表面；（3）蚀刻物种吸附在待蚀刻物表面一段时间；（4）进行化学反应并产生挥发性之生成物；（5）生成物脱离表面；（6）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。
    3. 物理和化学刻蚀
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，以便待蚀刻物质表面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，如图8.10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。                              图8.9 物理和化学刻蚀机理
图8.10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；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CFxarray工艺详解系可通入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Cl2作为刻蚀气体，可得到各向同性的化学性刻蚀效果。
8.2.3 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。
1． 反应离子刻蚀
反应离子刻蚀（RIE）是Reactive Ion Etching 的简称，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。如图8.11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，但相对的表面损伤也较严重。
                    图8.11 反应离子刻蚀原理
2. 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。
图8.6 PE模式原理
3. 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 Coupled Plasma ）模式。I
CP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10～100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。