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蚀刻的机制和分类


  蚀刻的机制,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。所以整个蚀刻,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。整个蚀刻的时间,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,整个腐蚀之快慢也卡在该者,故有所谓「reaction limited」与「diffusion limited」两类腐蚀之分。
1、湿腐蚀
  最普遍、也是设备成本最低的蚀刻方法,其设备如图2-10所示。其影响被蚀刻物之蚀刻速率 (etching rate) 的因素有三:蚀刻液浓度、蚀刻液温度、及搅拌 (stirring) 之有无。定性而言,增加蚀刻温度与加入搅拌,均能有效提高蚀刻速率;但浓度之影响则较不明确。举例来说,以49%的HF蚀刻SiO2,当然比BOE (Buffered-Oxide- Etch;HF:NH4F =1:6) 快的多;但40%的KOH蚀刻Si的速率却比20%KOH慢! 湿蚀刻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。一个选用湿蚀刻配方的重要观念是「选择性」(selectivity),意指进行蚀刻时,对被蚀物去除速度与连带对其他材质 (如蚀刻掩膜;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蚀刻系统,应该只对被加工薄膜有腐蚀作用,而不伤及一旁之蚀刻掩膜或其下的基板材料。
(1)等向性蚀刻 (isotropic etching)
  大部份的湿蚀刻液均是等向性,换言之,对蚀刻接触点之任何方向腐蚀速度并无明显差异。故一旦定义好蚀刻掩膜的图案,暴露出来的区域,便是往下腐蚀的所在;只要蚀刻配方具高选择性,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,蚀刻掩膜图案边缘的部位渐与蚀刻液接触,故蚀刻液也开始对蚀刻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,湿蚀刻技术因之而无法应用在类似「次微米」线宽的精密制程技术!
(2)非等向性蚀刻 (anisotropic etching)
  先前题到之湿蚀刻「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。
2、干蚀刻
  干蚀刻是一类较新型,但迅速为半导体工业所采用的技术。其利用电浆 (plasma) 来进行半导体薄膜材料的蚀刻加工。其中电浆必须在真空度约10至0.001 Torr 的环境下,才有可能被激发出来;而干蚀刻采用的气体,或轰击质量颇巨,或化学活性极高,均能达成蚀刻的目的。
  干蚀刻基本上包括「离子轰击」(ion-bombardment)与「化学反应」(chemical reaction) 两部份蚀刻机制。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),经激发出来的电浆,即带有氟或氯之离子团,可快速与芯片表面材质反应。
  干蚀刻法可直接利用光阻作蚀刻之阻绝遮幕,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蚀刻率两种优点,换言之,本技术中所谓「活性离子蚀刻」(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。
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