【原創】濕法刻蝕及其均勻性技術探討

濕法刻蝕是化學清洗方法中的一種，是化學清洗在半導體制造行業中的應用，是用化學方法有選擇地從硅片表面去除不需要材料的過程。其基本目的是在涂膠的硅片上正確地復制掩膜圖形，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硅片上的特殊區域而選擇性地刻蝕掉未被光刻膠保護的區域。

從半導體制造業一開始，濕法刻蝕就與硅片制造聯系在一起。雖然濕法刻蝕已經逐步開始被干法刻蝕所取代，但它在漂去氧化硅、去除殘留物、表層剝離以及大尺寸圖形刻蝕應用等方面仍然起著重要的作用。與干法刻蝕相比，濕法刻蝕的好處在于對下層材料具有高的選擇比，對器件不會帶來等離子體損傷，并且設備簡單。

1 濕法刻蝕及其應用

1.1濕法刻蝕

濕法刻蝕是將刻蝕材料浸泡在腐蝕液內進行腐蝕的技術，是利用合適的化學試劑先將未被光刻膠覆蓋的晶片部分分解，然后轉成可溶的化合物達到去除的目的。

濕法刻蝕是刻蝕的一種方法,其他的有干刻蝕，等離子刻蝕等。濕法刻蝕這種刻蝕技術主要是借助腐蝕液和晶片材料的化學反應，因此我們可以借助化學試劑的選取、配比以及溫度的控制等來達到合適的刻蝕速率和良好的刻蝕選擇比。

1.2 濕法刻蝕的過程

（1）反應物擴散到欲被刻蝕材料的表面；

（2）反應物與被刻蝕材料反應；

（3）反應后的產物離開刻蝕表面擴散到溶液中，隨溶液被排出。

在上述三步反應中，進行速度最慢的就是控制刻蝕速率的步驟，也就是說，該步驟的進行速率就是反應速率。通常情況下，是通過控制溶液的濃度和反應溫度來控制反應的速度。溶液濃度制約著反應物和反應產物到達或離開反應表面的速度，而溫度控制著化學反應的速度。

1.3濕法刻蝕的應用

常用的濕法刻蝕技術如下表所示：

（1）濕法刻蝕硅

單晶硅和多晶硅都可以在硝酸和HF的混合物中進行濕法刻蝕。反應先是HNO3在硅上形成一層二氧化硅，然后HF把這一層二氧化硅去掉。總的反應是：

Si+HNO3+6HFH2 → SiF6+HNO2+H2+H2O

可以用水來稀釋刻蝕劑，但最好用醋酸來稀釋，因為它對于HNO3的離解較少，這樣就產生更高濃度的未離解的基團。

（2）濕法刻蝕二氧化硅

濕法刻蝕二氧化硅薄膜通常是用不同的HF來進行的。這是因為在室溫下HF會和二氧化硅反應，而不會和硅反應。刻蝕的方程式如下：

SiO2 + 6HF → H2+ SiF6 +2H2O

（3）濕法刻蝕氮化硅

氮化硅可以在180℃的溫度下，由回流煮沸的85%磷酸來刻蝕。然而在刻蝕過程中光刻膠也會被刻掉一點，因此在這個步驟中光刻膠的掩膜作用不是很好。因此大多數情況下都用一層薄二氧化硅層(熱生長的或淀積的)來作氮化硅的掩膜。二氧化硅層先用光刻膠來作掩膜進行刻蝕，然后去膠，再用二氧化硅掩膜對氮化硅進行磷酸刻蝕。

（4）濕法刻蝕鋁

濕法刻蝕鋁和鋁合金薄膜總的來說是在加熱的(35～45℃)磷酸、硝酸、醋酸、和水，以及少量氟化氨溶液的混合液中進行刻蝕的。刻蝕速率依賴于包括刻蝕劑組分、溫度、光刻膠類型、刻蝕過程中水的攪拌和鋁薄膜中的雜質或合金等幾個因素。濕法刻蝕鋁的化學機制如下：用硝酸形成氧化鋁，再用磷酸和水去除氧化鋁。轉變成Al2O3是和溶解過程同時發生的。

2 濕法刻蝕均勻性探討

2.1 濕法刻蝕均勻性影響因素

刻蝕均勻性是一種衡量刻蝕工藝在整個硅片上，或整個一批，或批與批之間刻蝕能力的參數。保持硅片的均勻性是保證制造性能一致的關鍵，因過刻蝕或刻蝕不完全會直接導致晶片質量低下，甚至報廢。

由于濕法刻蝕是晶片浸泡在腐蝕液中完成的，因此要保證刻蝕均勻性，就必須保證腐蝕液各參數在工藝槽內各處的一致性。相關參數主要有：溶液溫度、溶液流場、藥液濃度等。

2.2 提高濕法刻蝕均勻性的方法

（1）攪拌

在刻蝕槽內設置攪拌裝置，使工藝處理過程中溶液不斷攪拌，從而使溶液的溫度、濃度等均勻性提高，進而提高刻蝕的均勻性。攪拌驅動裝置大多由電機或汽缸來驅動，由于汽缸的平穩性受氣源影響較大，容易產生擾動造成碎片率的提高，因此要求高的驅動裝置應該選用電機。常用的攪拌方式有水平攪拌和垂直攪拌，攪拌方向應該與晶片表面同向，這樣可以減小阻力和避免盲區。

?（2）晶片轉動

半導體制造工藝過程中，晶片的傳輸和處理一般是裝載在片盒中完成的。然而晶片的邊緣與片盒不可避免會有接觸，而且片盒的卡槽會遮擋相當面積的邊緣，這是造成晶片邊緣與中心刻蝕效果不一致的重要原因。如果在晶片的化學處理過程中，使晶片在片盒中做自轉運動，避免某一邊緣區域始終處于卡槽內，就可以有效改善這個問題。

?（3）溶液溢流循環

相比溶液靜態刻蝕，利用泵讓容易四面溢流循環起來，刻蝕均勻性會由很大的提高，因為溢流循環可大大改善溶液的溫度均勻性、濃度均勻性以及流場狀態。圖3所示為溢流循環槽的結構，溶液從底部注入到工藝槽內，然后從四面頂部溢流到溢流槽，再從溢流槽底部排除。

如果在外部管路增加過濾器以去除刻蝕產生的雜質，并且采用外部熱交換的方式進行加熱或制冷，效果會更好。

?（4）溶液層流設計

??? 刻蝕溶液的流場決定著晶片局部接觸有效刻蝕成分的機會，所以紊流會造成刻蝕的不均勻，因此流場應該盡量設計成層流方式。經實驗和使用驗證，如果溶液注入口設計為倒圓錐結構，且在頂部設計相應的勻流板，可改善流場。可利用流體分析軟件Fluent，優化各參數，使流場接近層流。

3、結束語

濕法刻蝕工藝是半導體制造過程中非常重要的工藝之一，在漂去氧化硅、去除殘留物、表層剝離以及大尺寸圖形刻蝕應用等方面起著非常重要的作用。均勻性是刻蝕工藝的關鍵指標之一，本文列舉的方法可以為相關工藝的開發提供參考。