干法刻蚀技术深度解析：原理、特性与应用

一、干法刻蚀技术概述

干法刻蚀是半导体制造等精密加工领域的核心技术，其原理是将硅片表面暴露于气态等离子体中，等离子体通过光刻胶窗口，与硅片发生物理、化学或二者兼有的反应，从而去除暴露的表面材料。这种技术以其独特的优势在现代工业生产中占据重要地位。

二、干法刻蚀的核心原理

（一）物理蚀刻原理

物理蚀刻主要利用等离子体（plasma）轰击 wafer 表面，通过粒子间的碰撞实现蚀刻目的，整个过程仅涉及物理变化，不产生新物质。其显著特点为各向异性，蚀刻方向严格沿着 plasma 速度方向，其他方向几乎不发生蚀刻。然而，该方法没有选择性，高能离子可能损伤器件。实际应用中，常采用惰性气体氩气（Ar）作为轰击气体，因其不会改变 plasma 的化学性质，能确保物理蚀刻效果稳定。

（二）化学蚀刻原理

化学蚀刻通过 plasma 与 wafer 表面材料发生化学反应，将材料转化为气态副产物后抽走完成蚀刻。此方法要求副产物易于抽离，其本身具有各向同性，但蚀刻过程中产生的聚合物 polymer 沉积在侧壁，可实现各向异性效果。通过调节化学蚀刻气体比例，能控制对不同薄膜（flim）的选择比。含碳氟气体（CXFY）是常用化学蚀刻气体，F 自由基与 Si 结合生成气态 SiF4 ，实现材料去除。不过，碳氟气体反应生成的不饱和物质会形成聚合物，沉积在电极和 chamber 中的聚合物是缺陷源，可能导致表面颗粒和图案失效。氟碳比（F/C）决定聚合物生成量，F/C 越小，聚合物越多；反之则越少。

（三）反应离子蚀刻原理

反应离子蚀刻融合物理和化学蚀刻优势，是工业干法刻蚀的主流方式。通过调节等离子体条件和气体组分，可使蚀刻剖面在各向同性和各向异性间转换，实现精准线宽控制和良好选择比，满足复杂工艺要求。

三、干法刻蚀的技术特性

（一）相对于湿法刻蚀的优势

剖面控制灵活：剖面既可实现各向异性，也能达成各向同性，精准控制侧壁剖面。

关键尺寸控制出色：具备良好的 CD（关键尺寸）控制能力。

光刻胶问题减少：有效降低光刻胶脱落或粘附问题。

刻蚀均匀性佳：保证片内、片间以及批次间的良好刻蚀均匀性。

成本优势：降低化学制品使用和处理费用。

（二）存在的局限性

选择比不足

器件损伤风险

设备成本高

四、干法刻蚀的应用要求与工艺调节

（一）成功干法刻蚀的要求

高选择比：对不需要刻蚀的材料具有高选择比。

合适的蚀刻速率：保证可接受产能的刻蚀速率。

良好的侧壁控制：实现良好的侧壁剖面控制。

均匀性保障：维持出色的片内均匀性。

低损伤：降低器件损伤程度。

宽工艺窗口：拥有宽广的工艺制造窗口。

（二）工艺参数调节与控制

对于每种特定应用，需通过工艺优化确定关键刻蚀工艺参数。RF 电场与硅片表面的方向影响蚀刻特性：垂直时，以物理作用和基本化学反应为主；平行时，主要发生表面材料与活性元素的化学反应。此外，聚合物在蚀刻中作用关键，通过添加氢气（H2）和氧气（O2）调节其生成量，氧气用于清除聚合物，氢气则增加其生成，确保蚀刻过程稳定高效。

刻蚀领域名词解释

1、刻蚀速率

刻蚀速率是指在刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度，通常用Å/min表示。

Å：埃米，1埃米Angstrom =1/10000000000米（10的负10次方）。

刻蚀速率=△T/t（Å/s）

△T=去掉的材料厚度（Å或μm）

t=刻蚀所用的时间（秒）

负载效应：刻蚀速率和刻蚀面积成反比。

2、刻蚀剖面

刻蚀剖面是指被刻蚀图形的侧壁形状。

各向同性和各向异性：各向同性，刻蚀在各个方向的速率一致；各向异性，刻蚀在各个方向的速率不一致。

3、刻蚀偏差bias

刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸间距的变化。

刻蚀偏差=Wb－Wa

Wb=刻蚀前光刻胶的线宽

Wa=光刻胶去掉后被刻蚀材料的线宽

4、选择比

选择比指的是在同一刻蚀条件下一种材料与另一种材料的刻蚀速率比。

选择比SR=Ef/Er

Ef=被刻蚀材料的刻蚀速率

Er=掩蔽层材料的刻蚀速率（如光刻胶）

5、均匀性

刻蚀均匀性是一种衡量刻蚀工艺在整个硅片上，或整个一批，或批与批之间刻蚀能力的参数。

6、残留物

刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材料。它常常覆盖在腔体内壁或被刻蚀图形的底部。

7、聚合物

聚合物是在刻蚀过程中由光刻胶中的碳转化而来并与刻蚀气体（如C2F4）和刻蚀生成物结合在一起形成的。

8、等离子体诱导损伤

A、一种主要的损伤是非均匀等离子体在晶体管栅电极产生陷阱电荷，引起薄栅氧化硅的击穿。

B、另一种器件损伤是能量粒子对暴露的栅氧化层的轰击。发生在刻蚀时栅电极的边缘。

9、颗粒沾污和缺陷

等离子体带来的硅片损伤有时也由硅片表面附近的等离子体产生的颗粒沾污而引起的。由于电势的差异，颗粒产生在等离子体和壳层的界面处。当没有等离子体时，这些颗粒就会掉到硅片表面。氟基化学气体等离子体比氯基或溴基等离子体产生较少的颗粒，因为氟产生的刻蚀生成物具有较高的蒸汽压。

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