二氧化硅干法蝕刻參數的優化分析

王坤坤 宮小龍

摘要：本文首先闡述了二氧化硅干法蝕刻的主要原理，采用正交實驗的方式，對蝕刻速率、均勻程度以及選擇比等蝕刻參數方面進行了分析和優化，希望為蝕刻工藝參數的設置和調整提供一定的參考和借鑒。

關鍵詞：二氧化硅干法蝕刻；參數；優化

大規模集成電路的發展令二氧化硅干法蝕刻技術得以產生并被推廣和應用。作為精密加工技術的代表，干法刻蝕技術早在上世紀六十年代就在等離子腐蝕中被應用，此后干法刻蝕工藝得到了進一步完善。干法刻蝕效果受到諸多工藝參數的影響，對參數進行分析是極為必要的，明確參數的作用與原理才能有針對性的優化參數從而提升刻蝕效果。

一、二氧化硅干法蝕刻原理

（一）蝕刻基本原理

二氧化硅干法蝕刻的實施原理是對電場實現加速，并采用蝕刻氣體在電場中形成等離子體，存在于等離子體中的活性物質會與被蝕刻的材料產生化學反應，生成揮發性物質，在氣流的作用下被去除。在等離子法干法刻蝕中通常采用的刻蝕氣體是碳元素和氟元素組成的化合物，以及在碳氫化合物中用氟原子替換氫原子形成的化合物，刻蝕氣體中的碳元素起到的作用是與氧化層中的氧元素結合，形成一氧化碳或是二氧化碳等副產物。

（二）蝕刻氣體的選擇

等離子法干法刻蝕中最常采用的刻蝕氣體是四氟化碳，該物質作用下的蝕刻速率可以達到很高水平，然而其不足在于對多晶硅的選擇比不夠高。在刻蝕氣體的選取方面，由于蝕刻的二氧化硅主要是氟原子活性基，為了增加對蝕刻硅的選擇比，氟原子的濃度應該適當降低。此外碳元素和氟元素的比例會影響蝕刻的聚合程度。在蝕刻氣體中混合有其他氣體的情況下，碳元素和氟元素的比例會隨之發生變化。通常較大的F/C會使二氧化硅或是多晶硅與光阻的選擇比較低，同時帶來較大的蝕刻速率以及較少的聚合物生成。反之，若F/C比例較小，則會生成較多的聚合物，蝕刻速率較低對硅的選擇性較大。

此外，加入氫氣會使二氧化硅的蝕刻選擇比提升。其原理是若在四氟化碳中引入氫元素，則氫原子會與氟原子結合生成氟化氫，由于氟原子的濃度降低，在蝕刻過程中生成的等離子體中富含碳元素，從而會極大減緩蝕刻速率。而由于作為蝕刻材料的二氧化硅自身含有氧元素，對二氧化硅進行蝕刻時，碳原子會與氧原子結合生成一氧化碳或是二氧化碳，當二者被排出系統后，刻蝕氣體中的碳元素和氟元素的比例會穩定在一定范圍內，從而使蝕刻速率基本不變。

（三）蝕刻設備

蝕刻工藝水平很大程度上受到蝕刻設備的影響，常用的蝕刻設備雖然各有不同，但基本結構中都包含操作系統、射頻功率控制系統、氣柜系統、腔體系統，以及起到真空和冷卻作用的控制系統等。其中，射頻功率控制系統直接導致等離子體的生成，對蝕刻效果有重要影響。腔體系統內進行蝕刻氣體的流動，氣體的類型與流量以及腔體內的壓力水平也會影響蝕刻效果。

二、影響蝕刻效果的工藝參數

二氧化硅干法蝕刻的工藝參數有如下幾種：壓力、蝕刻氣體類型與流量、射頻功率、蝕刻時的溫度和蝕刻腔體等。蝕刻效果的提升離不開對參數的研究、分析和優化。由于各個工藝參數之間存在交互作用，若僅做單因素實驗則無法體現工藝參數之間的作用，而將多種因素混合實驗的話，實驗過程會相當復雜，為了減少實驗資源與時間的耗費，并簡化數據整理過程，采用正交實驗方法可以有效解決這一問題，即通過規范的正交表進行四個因素、三個水平的實驗。利用正交實驗得到的參數對蝕刻效果的具體影響如下：

（1）射頻功率對蝕刻效果的影響。影響蝕刻速率的最主要因素就是射頻功率，射頻功率越高對應的蝕刻速率也越大。射頻功率提升后使得正負電極之間的電壓隨之增大，從而帶來了更高的離子能量和離子密度，導致蝕刻速率對應提升。此外，射頻功率的增加也會使蝕刻的均勻性變好。

（2）蝕刻氣體類型與流量對蝕刻效果的影響。在本實驗中采用四氟化碳作為蝕刻氣體，隨著四氟化碳氣體流量的增加，由此造成了蝕刻速率的增大。其原理是四氟化碳作為蝕刻氣體生成的等離子體中富含大量氟元素，較高的氟元素比例會增大蝕刻速率。在蝕刻均勻性方面，當四氟化碳的流量較小時，由于整體的蝕刻速率不是很高，從而表面可以達到很好的聚合，導致蝕刻的均勻水平較高。

（3）壓力對蝕刻效果的影響。在實驗的初始階段，隨著壓力的增大，蝕刻速率有顯著提升，而當壓力達到一定程度后，蝕刻速率維持在某一水平不再變化。其原因是壓力增大后，離子的密度會上升，滯留時間也會延長，從而增大ER，而分子的自由程度降低，再加上聚合作用的共同影響會減小ER，在這兩種相反的作用下，蝕刻速率會先上升后維持穩定。在蝕刻均勻性方面，壓力對蝕刻的均勻水平有著最主要的影響，壓力的增大會導致均勻性降低。

三、蝕刻工藝參數優化建議

二氧化硅干法蝕刻過程中，工藝參數的不同會對蝕刻速率、蝕刻均勻性以及選擇比等造成因素。其中，影響蝕刻速率的主要因素為射頻功率，壓力在均勻性方面是主要影響因素，對刻蝕氣體流量的比率控制可以改善選擇比，在具體的蝕刻工藝中，參數的確定要根據實驗要求和實驗效果的不同，精確的控制好各個工藝參數。

四、結語

二氧化硅干法刻蝕在工業生產中占據的地位越來越重要，對干法刻蝕工藝參數的研究對提高刻蝕效果具有重要作用。本文在闡述了二氧化硅干法刻蝕原理的基礎上，從射頻功率、刻蝕氣體類型與流量以及壓力三個方面分析了它們各自對蝕刻水平的影響，希望為相關部門帶來一定的參考，使我國的干法刻蝕工藝更加成熟完善。

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