朱恒杰　劉秀

摘 要：文章主要介紹了干刻機(jī)TE5000在做片過程中影響刻蝕速率的幾個(gè)因素，包括腔體壓力和RF功率、氣體成分和流速、硅片溫度、硅片間距不合適和維護(hù)不當(dāng)、負(fù)載效應(yīng)等，并對(duì)解決問題、改善刻蝕速率的措施進(jìn)行了剖析。

關(guān)鍵詞：干刻機(jī)；刻蝕速率；TE5000

刻蝕就是用化學(xué)或物理的方法有選擇性地從硅片表面去除不需要的材料的過程?？涛g的基本目標(biāo)是在涂膠的硅片上正確地復(fù)制掩膜圖形。有圖形的光刻膠層在刻蝕中不受到腐蝕源顯著的侵蝕，這層掩蔽膜用來在刻蝕中保護(hù)硅片上的特殊區(qū)域而選擇性地刻蝕掉未被光刻膠保護(hù)的區(qū)域。TE5000干刻機(jī)就是實(shí)現(xiàn)上述功能的一種干法刻蝕設(shè)備，在半導(dǎo)體行業(yè)廣泛地應(yīng)用于5寸和6寸硅片的刻蝕[1]。

下面結(jié)合作者的實(shí)踐，介紹一下TE5000干刻機(jī)在做片過程中影響刻蝕速率的幾個(gè)因素，并以具體實(shí)例對(duì)解決問題的措施進(jìn)行剖析。

1 干刻機(jī)刻蝕速率分析

刻蝕速率R是干法刻蝕的主要參數(shù)，刻蝕速率低，易于控制，但不適合實(shí)際生產(chǎn)要求。對(duì)于VDMOS制造工藝，要有足夠的刻蝕速率，且能重復(fù)、穩(wěn)定地運(yùn)用于生產(chǎn)中。本文討論影響刻蝕速率的幾個(gè)因素有：腔體壓力和RF功率、氣體成分和流速、硅片溫度、硅片間距不合適和維護(hù)不當(dāng)、負(fù)載效應(yīng)等，下面分別對(duì)其進(jìn)行介紹和分析。

1.1 腔體壓力和RF功率

腔體壓力、RF功率都是獨(dú)立的設(shè)備參數(shù)，但在實(shí)際中，他們各自對(duì)刻蝕速率的影響是難以預(yù)計(jì)的。腔體壓力低而RF功率較高，可以提高電子能量和入射離子的能量，增加功率也可以提高等離子體中活性劑和離子的密度。因此，在離子加速反應(yīng)刻蝕中，降低腔體壓力和增加RF功率，可以獲得更好的各向異性刻蝕。腔體壓力對(duì)刻蝕速率的影響，隨刻蝕材料及氣體的不同而有明顯的差異。隨著腔體壓力的增加，刻蝕速率增大。對(duì)于刻蝕不同的材料，選擇合適的刻蝕條件可以獲得最大的刻蝕速率[2]。

所以一旦刻蝕速率發(fā)生明顯的變化，要排查確認(rèn)控制腔體的壓力的分子泵和機(jī)械泵工作是否正常，疊閥控制是否精確，RF電源功率是否有輸出，設(shè)定的輸出的功率和實(shí)際功率是否有誤差，RF匹配器對(duì)腔體上下電極的功率分配比例是否合理等。

1.2 氣體成分和流量

氣體成分在等離子體刻蝕或反應(yīng)離子刻蝕中是影響刻蝕速率和選擇比的關(guān)鍵因素。表1是VDMOS制造中常用的一些代表性刻蝕氣體。在反應(yīng)刻蝕中，若單純使用某種刻蝕氣體，刻蝕速率和均勻性不怎么理想。所以經(jīng)常使用的是含多種成分的混合氣體，這些混合氣體由一種主要?dú)怏w加入另一種添加劑組成，添加劑的作用是改善刻蝕速率、選擇性、均勻性和刻蝕剖面。如在刻蝕Si3N4時(shí)，使用CHF3為主，添加O2后刻蝕速率更好。

氣體流速?zèng)Q定反應(yīng)劑的有效供給程度。一般工作條件中，氣體流速對(duì)刻蝕流速R的影響不大。氣體流速很小，刻蝕速率受反應(yīng)劑供給量的限制；相反，當(dāng)流速很大時(shí)，輸送成為反應(yīng)劑損失的主要原因。在一般情況下，活性反應(yīng)劑的壽命很短，流速的影響不必考慮；當(dāng)活性劑的壽命較長(zhǎng)（例如F原子）時(shí)，流速對(duì)刻蝕速率R會(huì)產(chǎn)生影響。圖1表示刻蝕速率的倒數(shù)和流速的線性函數(shù)。

一旦工藝確定好氣體流速之后，若刻蝕速率還是經(jīng)常發(fā)生較大波動(dòng)的話，氣體流速偏差也是原因之一。此時(shí)，安裝在腔體前端的MFC時(shí)間用久了，有可能出現(xiàn)零點(diǎn)漂移，可以拆下對(duì)應(yīng)流速波動(dòng)較大氣體的MFC送至儀器部門，對(duì)MFC進(jìn)行徹底的校準(zhǔn)，恢復(fù)零點(diǎn)漂移。

1.3 硅片溫度

在反應(yīng)刻蝕中，溫度（包括上下電極溫度和腔體溫度）對(duì)刻蝕速率的影響，主要是通過化學(xué)反應(yīng)速率體現(xiàn)的。為獲得均勻、重復(fù)的刻蝕速率，必須嚴(yán)格控制襯底的溫度。等離子體加熱是襯底溫度上升的主要原因，還有刻蝕過程的放熱效應(yīng)也不可忽視。

做片過程中，若出現(xiàn)上下電極和腔體的溫度有波動(dòng)，超出±5℃。就要檢查CHILLER冷凍機(jī)中的壓縮機(jī)冷媒是否泄露導(dǎo)致不會(huì)制冷；經(jīng)過上下電極和腔體的3路管路是否有漏液；CHILLER冷凍機(jī)水箱中的熱偶和下電極中的熱偶是否有斷路；防凍液乙二醇因長(zhǎng)時(shí)間的揮發(fā)，其濃度（正常是80%）是否不夠?qū)е鹿苈方Y(jié)冰堵塞；給硅片冷卻的背HE壓力和流量是否在設(shè)定參數(shù)范圍內(nèi)等因素，都會(huì)影響到硅片的溫度。

1.4 硅片間距和維護(hù)不當(dāng)

下電極上面的硅片和上電極之間的距離，在全自動(dòng)做片時(shí)，要保持在28～31 mm，這個(gè)距離對(duì)刻蝕速率和均勻性的影響也是比較顯著的。由于上電極的石墨電極會(huì)因片量的上升而凹陷進(jìn)去，致使它們之間的距離變大，超出以上這個(gè)范圍。例如，它們之間的距離變大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)如圖2所示的異常現(xiàn)象。一般情況下，在片量達(dá)到8 000片左右，就要更換石墨電極。

如圖3是TE5000干刻機(jī)腔體結(jié)構(gòu)，一般是出廠時(shí)就固定的，不允許隨意的改變。在達(dá)到規(guī)定的片數(shù)（Al后：3 000片；Al前：5 000片）后，腔體內(nèi)部的3個(gè)氣體分配器、石墨電極、陶瓷環(huán)、特氟龍護(hù)罩等結(jié)構(gòu)件，要定期保養(yǎng)。否則，時(shí)間久了，腔體內(nèi)部由于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的黃色聚合物，對(duì)上電極的氣體分配器和石墨電極的小孔會(huì)堵塞，在分子泵的高閥處的前端也會(huì)聚集大量的聚合物，影響腔體的顆粒度，這些都要及時(shí)清理干凈。

1.5 負(fù)載效應(yīng)

在反應(yīng)刻蝕的過程中，刻蝕速率R往往隨刻蝕面積的增大而減小，這種現(xiàn)象稱為負(fù)載效應(yīng)。這說明在一次刻蝕的過程中，需要刻蝕的硅片數(shù)目越多，由于反應(yīng)原子和原子團(tuán)的消耗，整體的刻蝕速率就越慢。在VDMOS集成電路制造中，隨著刻蝕到達(dá)終點(diǎn)，被刻蝕材料的表面積也迅速減少，此時(shí)的刻蝕速率就會(huì)比正?？涛g速率高得很多，不但進(jìn)行過刻蝕，而且也加速了側(cè)向刻蝕。從某種意義上說，負(fù)載效應(yīng)是一種宏觀過程，反應(yīng)室中的某個(gè)硅片的存在將影響另一硅片的刻蝕速率。這就意味著等離子體中反應(yīng)劑的輸運(yùn)過程要非常迅速，以致等離子體中的反應(yīng)劑并不存在多大的濃度梯度，減少對(duì)刻蝕速率的影響。例如，在做片之前最好先暖機(jī)50片左右的片子，營(yíng)造一個(gè)良好的預(yù)刻蝕氛圍。再投入生產(chǎn)時(shí)，刻蝕速率的波動(dòng)明顯會(huì)小很多。

2 結(jié)語

綜合上述，影響TE5000刻蝕速率的因素有：腔體壓力和RF功率、氣體成分和流速、硅片溫度、硅片間距不合適和維護(hù)不當(dāng)、負(fù)載效應(yīng)等。經(jīng)過實(shí)踐證明，他們相互配合，能夠得到比較理想的刻蝕速率。上述分析由實(shí)踐及理論綜合分析所得，適用于一般的TE5000干刻機(jī)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]邁克爾·夸克，朱利安·瑟達(dá).半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].韓鄭生，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]FLAMM D L.Plasma etching， an introduction[M].Pittsburgh：Academic Press，1989.