1.1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A⁰/min表示。刻蚀窗口的深度称为台阶高度。刻蚀速率由工艺和设备变量决定，如被刻蚀材料类型、刻蚀机的结构配置、使用的可是气体和工艺参数设置。刻蚀速率用下列公式计算：

刻蚀速率=△T/t （A⁰/min）

其中，△T=去掉的材料厚度（A⁰或μm）

t=刻蚀所用的时间（分）

        刻蚀速率通常正比于刻蚀剂的浓度。硅片表面几何形状等因素都等能影响硅片之间的刻蚀速率。要刻蚀硅片表面的大面积区域，则会耗尽刻蚀剂浓度使刻蚀速率慢下来；如果刻蚀的面积比较小，则可是就会快些。这些被称为负载效应。刻蚀速率的减小使由于在等离子体刻蚀反应过程中会消耗大部分的气相刻蚀基。由于负载效应带来的刻蚀速率的变化使有效的终点检测变得非常重要的最主要原因。

北京三和联

1.2刻蚀剖面

        刻蚀剖面指的是被可是图形的侧壁形状。有两种基本的刻蚀剖面：各向同性和各向异性刻蚀剖面。各向同性的刻蚀剖面是在所有方向上，以相同的刻蚀速率进行刻蚀，导致被刻蚀材料在掩膜下面产生钻蚀（如图1.2.1）而形成的，这带来不希望的线宽损失。湿法化学腐蚀本质上使各向同性的，因而湿法腐蚀不同于亚微米器件制作中的选择性图形刻蚀。一些干法等离子体系统也能进行各向同性刻蚀。由于后续工艺步骤或者被刻蚀材料的特殊需要，也有一些要用到各向同性腐蚀的地方。

                                                                                          图1.2.1 湿法各向同性化学腐蚀

        对于亚微米尺寸的图形来说，希望刻蚀剖面是各向异性的，即刻蚀只在垂直于硅片表面的方向进行（如图1.2.2），只有很少的横向刻蚀。这种垂直的侧壁使得在芯片上可制作高密度的刻蚀图形。各向异性刻蚀对于小线宽图形亚微米器件的制作来说非常关键。先进器件电路应用上通常需要88-89°垂直度的侧壁。各向异性刻蚀大部分是通过干法等离子体刻蚀来实现的。

                                                          图1.2.2 具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀

         各向异性刻蚀的程度可以是适度（较小的侧壁倾角）或高各向异性的（垂直的侧壁）。刻蚀剖面指的就是被刻蚀薄膜侧壁的形状。垂直的剖面是高的各向异性刻蚀的结果。

         对于较小的几何图形，刻蚀剖面具有较高的深宽比。对于高深宽比的图形窗口，化学刻蚀剂难以进入，反应生成物难以出来。为解决这个问题，就希望能定向的把等离子体推进高深宽比的窗口。如果等离子体中的离子使有方向性的（垂直于硅片表面），就只有硅片表面受到轰击，而不是图形的侧壁。这样做迫使化学刻蚀剂在产生很小钻蚀的情况下进入高深宽比的窗口。对于亚0.25微米线宽的先进的集成电路，是通过能产生足够刻蚀基团的高密度等离子体来做保持等离子体离子方向性的，并能获得可接受的刻蚀速率。

                                                                    1.2.3湿法腐蚀和干法刻蚀的侧壁剖面

1.3 刻蚀偏差

         刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸间距的变化（图1.3.1）。它通常是由于横向钻蚀引起的（图1.3.2），但也能由刻蚀剖面引起。当刻蚀中要去除掩膜下过量的材料时，会引起被刻蚀材料的上表面向光刻胶边缘凹进去，这样就会产生横向钻蚀。计算刻蚀偏差的公式如下：

刻蚀偏差=W_b-W_a

其中，W_b=刻蚀钱光刻胶的线宽

             W_a=光刻胶去掉后被刻蚀材料的线宽

图1.3.1 刻蚀偏差

图1.3.2 刻蚀中的横向钻蚀和倾斜

1.4 选择比

          选择比指的是在同一刻蚀条件下一种材料于另一种材料相比刻蚀速率快多少。它定义为被刻蚀材料的刻蚀速率于另一种的刻蚀速率的比（图1.4.1）.高选择比意味着只刻除想要刻去的那一层材料。一个高选择比的刻蚀工艺不刻蚀下面一层材料（刻蚀到恰当的深度时停止）并且保护的光刻胶也未被刻蚀。图形几何尺寸的缩小要求减薄光刻胶厚度。高选择比在最先进的工艺中为了确保关键尺寸和剖面控制是必需的。特别是关键尺寸越小，选择比要求越高。

1.4.1 刻蚀选择比

对于被刻蚀材料和掩蔽层材料（例如光刻胶）的选择比S_R可以通过下式计算：

S_R=E_f/E_r

其中，E_f=被刻蚀材料的刻蚀速率

E_r=掩蔽层材料的刻蚀速率（如光刻胶）

1.5 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。均匀性与选择比有密切的关系，因为非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。保持硅片的均匀性是保证制造性能一致的关键。难点在于刻蚀工艺必须在刻蚀具有不同密度的硅片上保证均匀性。均匀性的一些问题是因为刻蚀速率和刻蚀剖面与图形尺寸和密度有关而产生的，刻蚀速率在小窗口图形中较慢，甚至在具有高深宽比的小尺寸图形上刻蚀居然停止。例如：具有高深宽比硅槽的刻蚀速率要比具有低深宽比硅槽的刻蚀速率慢。这一现象被称为深宽比相关刻蚀（ARDE）,也被称为微负载效应。为了提高均匀性，必须把硅片表面的ARDE效应减至最小。

1.6 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。它通常覆盖在腔体内壁或刻蚀图形的底部。它的产生有多种原因，例如被刻蚀膜层中的污染物、选择了不合适的化学刻蚀剂（如刻蚀太快）、腔体中的污染物、膜层中不均匀的杂志分布。刻蚀以后的残留物有不同的名称，包括长细线条、遮蔽物、冠状物和栅条。长细线条是一些没有完全去除干净的细小的被刻蚀材料残留物，具有电活性，能在图形之间形成不希望的短路。刻蚀残留物是IC制造中的硅片污染源，并能在去除光刻胶的过程中带来一些问题。为了去除刻蚀残留物，有时在刻蚀完成后会进行过刻蚀。在一些情况下，刻蚀残留物刻蚀在去除光刻胶的过程中或用湿法化学腐蚀去掉。

1.7 聚合物

        聚合物的形成有时是有意的，是为了在刻蚀图形的侧壁上形成抗腐蚀膜从而防止横向刻蚀，这样做能形成高的各向异性图形，因为聚合物能阻挡对侧壁的刻蚀，增强刻蚀的方向性，从而实现对图形关键尺寸的良好控制。这些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和刻蚀生成物结合在一起而形成的。能否形成侧壁聚合物取决于所使用的刻蚀气体类型。

     聚合物侧壁钝化来提高各向异性

一个成功的干法刻蚀要求：

1. 对不需要刻蚀的材料（主要是光刻胶和下层材料）的高选择比；

2. 获得可接受的产能的刻蚀速率；

3.好的侧壁剖面控制；

4.好的片内均匀性；

5.低的器件损伤；

6.宽的工艺制造窗口。

         北京三和联自研生产的干法刻蚀设备有：桌面级反应离子刻蚀机（SV-RIE，价格低廉，满足预算有限的客户需求）反应离子体刻蚀机（RIE），感应耦合等离子体刻蚀机（ICP），离子束刻蚀机（IBE）。北京三和联系列干法刻蚀机除了满足常见的硅基材料，硅基材料：Si/SiO2/石英/SiNx/SiC……； III-V材料：InP/GaAs/GaN…… ；IV-IV材料：SiC……； II-VI材料：CdTe…… 磁性材料/合金材料 金属材料：Ni/Cr/Al/Cu/Au…… 有机材料：PR/有机膜……硅深蚀等，还针对芯片失效刻蚀去层分析应用，二维材料生长及刻蚀应用开发了专用机台；

         二维材料刻蚀机台最重要的性能特点有2个，分别是：1.逐层刻蚀；2.低损伤刻蚀；北京三和联二维材料刻蚀机台（SHL 100μ-RIE），是专用于二维材料刻应用开发的机台，包括WS₂,MoS₂,石墨烯，NB，Bi2O2Se，Te单晶等，机台针对不同材料均做了配套的工艺解决方案，完全能够实现.逐层刻蚀，低损伤刻蚀的要求，该机台已经在：清华大学，北京大学，北京半导体所，人民大学，北京理工大学，中南大学，天津大学，华中科技大学，中山大学，河南大学，郑州大学，南方科技大学，华东师范大学，复旦大学等一众高校实现销售，客户一致反馈设备运行良好，能够满足科研设备需求；

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