【原創(chuàng)】濕法刻蝕及其均勻性技術(shù)探討

濕法刻蝕是化學(xué)清洗方法中的一種，是化學(xué)清洗在半導(dǎo)體制造行業(yè)中的應(yīng)用，是用化學(xué)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(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。

從半導(dǎo)體制造業(yè)一開始，濕法刻蝕就與硅片制造聯(lián)系在一起。雖然濕法刻蝕已經(jīng)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(yīng)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(duì)下層材料具有高的選擇比，對(duì)器件不會(huì)帶來等離子體損傷，并且設(shè)備簡單。

1 濕法刻蝕及其應(yīng)用

1.1濕法刻蝕

濕法刻蝕是將刻蝕材料浸泡在腐蝕液內(nèi)進(jìn)行腐蝕的技術(shù)，是利用合適的化學(xué)試劑先將未被光刻膠覆蓋的晶片部分分解，然后轉(zhuǎn)成可溶的化合物達(dá)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(shù)主要是借助腐蝕液和晶片材料的化學(xué)反應(yīng)，因此我們可以借助化學(xué)試劑的選取、配比以及溫度的控制等來達(dá)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(yīng)物擴(kuò)散到欲被刻蝕材料的表面；

（2）反應(yīng)物與被刻蝕材料反應(yīng)；

（3）反應(yīng)后的產(chǎn)物離開刻蝕表面擴(kuò)散到溶液中，隨溶液被排出。

在上述三步反應(yīng)中，進(jìn)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(jìn)行速率就是反應(yīng)速率。通常情況下，是通過控制溶液的濃度和反應(yīng)溫度來控制反應(yīng)的速度。溶液濃度制約著反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物到達(dá)或離開反應(yīng)表面的速度，而溫度控制著化學(xué)反應(yīng)的速度。

1.3濕法刻蝕的應(yīng)用

常用的濕法刻蝕技術(shù)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(jìn)行濕法刻蝕。反應(yīng)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(yīng)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?yàn)樗鼘?duì)于HNO3的離解較少，這樣就產(chǎn)生更高濃度的未離解的基團(tuán)。

（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(jìn)行的。這是因?yàn)樵谑覝叵翲F會(huì)和二氧化硅反應(yīng)，而不會(huì)和硅反應(yīng)。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(huì)被刻掉一點(diǎn)，因此在這個(gè)步驟中光刻膠的掩膜作用不是很好。因此大多數(shù)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(jìn)行刻蝕，然后去膠，再用二氧化硅掩膜對(duì)氮化硅進(jìn)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(jìn)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(zhì)或合金等幾個(gè)因素。濕法刻蝕鋁的化學(xué)機(jī)制如下：用硝酸形成氧化鋁，再用磷酸和水去除氧化鋁。轉(zhuǎn)變成Al2O3是和溶解過程同時(shí)發(fā)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(gè)硅片上，或整個(gè)一批，或批與批之間刻蝕能力的參數(shù)。保持硅片的均勻性是保證制造性能一致的關(guān)鍵，因過刻蝕或刻蝕不完全會(huì)直接導(dǎo)致晶片質(zhì)量低下，甚至報(bào)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(shù)在工藝槽內(nèi)各處的一致性。相關(guān)參數(shù)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(nèi)設(shè)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(jìn)而提高刻蝕的均勻性。攪拌驅(qū)動(dòng)裝置大多由電機(jī)或汽缸來驅(qū)動(dòng)，由于汽缸的平穩(wěn)性受氣源影響較大，容易產(chǎn)生擾動(dòng)造成碎片率的提高，因此要求高的驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)該選用電機(jī)。常用的攪拌方式有水平攪拌和垂直攪拌，攪拌方向應(yīng)該與晶片表面同向，這樣可以減小阻力和避免盲區(qū)。

 （2）晶片轉(zhuǎn)動(dòng)

半導(dǎo)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(huì)有接觸，而且片盒的卡槽會(huì)遮擋相當(dāng)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(xué)處理過程中，使晶片在片盒中做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，避免某一邊緣區(qū)域始終處于卡槽內(nèi)，就可以有效改善這個(gè)問題。

 （3）溶液溢流循環(huán)

相比溶液靜態(tài)刻蝕，利用泵讓容易四面溢流循環(huán)起來，刻蝕均勻性會(huì)由很大的提高，因?yàn)橐缌餮h(huán)可大大改善溶液的溫度均勻性、濃度均勻性以及流場狀態(tài)。圖3所示為溢流循環(huán)槽的結(jié)構(gòu)，溶液從底部注入到工藝槽內(nèi)，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(chǎn)生的雜質(zhì)，并且采用外部熱交換的方式進(jìn)行加熱或制冷，效果會(huì)更好。

 （4）溶液層流設(shè)計(jì)

    刻蝕溶液的流場決定著晶片局部接觸有效刻蝕成分的機(jī)會(huì)，所以紊流會(huì)造成刻蝕的不均勻，因此流場應(yīng)該盡量設(shè)計(jì)成層流方式。經(jīng)實(shí)驗(yàn)和使用驗(yàn)證，如果溶液注入口設(shè)計(jì)為倒圓錐結(jié)構(gòu)，且在頂部設(shè)計(jì)相應(yīng)的勻流板，可改善流場。可利用流體分析軟件Fluent，優(yōu)化各參數(shù)，使流場接近層流。

3、結(jié)束語

濕法刻蝕工藝是半導(dǎo)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(yīng)用等方面起著非常重要的作用。均勻性是刻蝕工藝的關(guān)鍵指標(biāo)之一，本文列舉的方法可以為相關(guān)工藝的開發(fā)提供參考。