影響TE5000干刻機刻蝕速率原因分析

朱恒杰　劉秀

摘 要：文章主要介紹了干刻機TE5000在做片過程中影響刻蝕速率的幾個因素，包括腔體壓力和RF功率、氣體成分和流速、硅片溫度、硅片間距不合適和維護不當、負載效應等，并對解決問題、改善刻蝕速率的措施進行了剖析。

關鍵詞：干刻機；刻蝕速率；TE5000

刻蝕就是用化學或物理的方法有選擇性地從硅片表面去除不需要的材料的過程。刻蝕的基本目標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。TE5000干刻機就是實現上述功能的一種干法刻蝕設備，在半導體行業廣泛地應用于5寸和6寸硅片的刻蝕[1]。

下面結合作者的實踐，介紹一下TE5000干刻機在做片過程中影響刻蝕速率的幾個因素，并以具體實例對解決問題的措施進行剖析。

1 干刻機刻蝕速率分析

刻蝕速率R是干法刻蝕的主要參數，刻蝕速率低，易于控制，但不適合實際生產要求。對于VDMOS制造工藝，要有足夠的刻蝕速率，且能重復、穩定地運用于生產中。本文討論影響刻蝕速率的幾個因素有：腔體壓力和RF功率、氣體成分和流速、硅片溫度、硅片間距不合適和維護不當、負載效應等，下面分別對其進行介紹和分析。

1.1 腔體壓力和RF功率

腔體壓力、RF功率都是獨立的設備參數，但在實際中，他們各自對刻蝕速率的影響是難以預計的。腔體壓力低而RF功率較高，可以提高電子能量和入射離子的能量，增加功率也可以提高等離子體中活性劑和離子的密度。因此，在離子加速反應刻蝕中，降低腔體壓力和增加RF功率，可以獲得更好的各向異性刻蝕。腔體壓力對刻蝕速率的影響，隨刻蝕材料及氣體的不同而有明顯的差異。隨著腔體壓力的增加，刻蝕速率增大。對于刻蝕不同的材料，選擇合適的刻蝕條件可以獲得最大的刻蝕速率[2]。

所以一旦刻蝕速率發生明顯的變化，要排查確認控制腔體的壓力的分子泵和機械泵工作是否正常，疊閥控制是否精確，RF電源功率是否有輸出，設定的輸出的功率和實際功率是否有誤差，RF匹配器對腔體上下電極的功率分配比例是否合理等。

1.2 氣體成分和流量

氣體成分在等離子體刻蝕或反應離子刻蝕中是影響刻蝕速率和選擇比的關鍵因素。表1是VDMOS制造中常用的一些代表性刻蝕氣體。在反應刻蝕中，若單純使用某種刻蝕氣體，刻蝕速率和均勻性不怎么理想。所以經常使用的是含多種成分的混合氣體，這些混合氣體由一種主要氣體加入另一種添加劑組成，添加劑的作用是改善刻蝕速率、選擇性、均勻性和刻蝕剖面。如在刻蝕Si3N4時，使用CHF3為主，添加O2后刻蝕速率更好。

氣體流速決定反應劑的有效供給程度。一般工作條件中，氣體流速對刻蝕流速R的影響不大。氣體流速很小，刻蝕速率受反應劑供給量的限制；相反，當流速很大時，輸送成為反應劑損失的主要原因。在一般情況下，活性反應劑的壽命很短，流速的影響不必考慮；當活性劑的壽命較長（例如F原子）時，流速對刻蝕速率R會產生影響。圖1表示刻蝕速率的倒數和流速的線性函數。

一旦工藝確定好氣體流速之后，若刻蝕速率還是經常發生較大波動的話，氣體流速偏差也是原因之一。此時，安裝在腔體前端的MFC時間用久了，有可能出現零點漂移，可以拆下對應流速波動較大氣體的MFC送至儀器部門，對MFC進行徹底的校準，恢復零點漂移。

1.3 硅片溫度

在反應刻蝕中，溫度（包括上下電極溫度和腔體溫度）對刻蝕速率的影響，主要是通過化學反應速率體現的。為獲得均勻、重復的刻蝕速率，必須嚴格控制襯底的溫度。等離子體加熱是襯底溫度上升的主要原因，還有刻蝕過程的放熱效應也不可忽視。

做片過程中，若出現上下電極和腔體的溫度有波動，超出±5℃。就要檢查CHILLER冷凍機中的壓縮機冷媒是否泄露導致不會制冷；經過上下電極和腔體的3路管路是否有漏液；CHILLER冷凍機水箱中的熱偶和下電極中的熱偶是否有斷路；防凍液乙二醇因長時間的揮發，其濃度（正常是80%）是否不夠導致管路結冰堵塞；給硅片冷卻的背HE壓力和流量是否在設定參數范圍內等因素，都會影響到硅片的溫度。

1.4 硅片間距和維護不當

下電極上面的硅片和上電極之間的距離，在全自動做片時，要保持在28～31 mm，這個距離對刻蝕速率和均勻性的影響也是比較顯著的。由于上電極的石墨電極會因片量的上升而凹陷進去，致使它們之間的距離變大，超出以上這個范圍。例如，它們之間的距離變大時，就會出現如圖2所示的異常現象。一般情況下，在片量達到8 000片左右，就要更換石墨電極。

如圖3是TE5000干刻機腔體結構，一般是出廠時就固定的，不允許隨意的改變。在達到規定的片數（Al后：3 000片；Al前：5 000片）后，腔體內部的3個氣體分配器、石墨電極、陶瓷環、特氟龍護罩等結構件，要定期保養。否則，時間久了，腔體內部由于化學反應產生的黃色聚合物，對上電極的氣體分配器和石墨電極的小孔會堵塞，在分子泵的高閥處的前端也會聚集大量的聚合物，影響腔體的顆粒度，這些都要及時清理干凈。

1.5 負載效應

在反應刻蝕的過程中，刻蝕速率R往往隨刻蝕面積的增大而減小，這種現象稱為負載效應。這說明在一次刻蝕的過程中，需要刻蝕的硅片數目越多，由于反應原子和原子團的消耗，整體的刻蝕速率就越慢。在VDMOS集成電路制造中，隨著刻蝕到達終點，被刻蝕材料的表面積也迅速減少，此時的刻蝕速率就會比正常刻蝕速率高得很多，不但進行過刻蝕，而且也加速了側向刻蝕。從某種意義上說，負載效應是一種宏觀過程，反應室中的某個硅片的存在將影響另一硅片的刻蝕速率。這就意味著等離子體中反應劑的輸運過程要非常迅速，以致等離子體中的反應劑并不存在多大的濃度梯度，減少對刻蝕速率的影響。例如，在做片之前最好先暖機50片左右的片子，營造一個良好的預刻蝕氛圍。再投入生產時，刻蝕速率的波動明顯會小很多。

2 結語

綜合上述，影響TE5000刻蝕速率的因素有：腔體壓力和RF功率、氣體成分和流速、硅片溫度、硅片間距不合適和維護不當、負載效應等。經過實踐證明，他們相互配合，能夠得到比較理想的刻蝕速率。上述分析由實踐及理論綜合分析所得，適用于一般的TE5000干刻機。

[參考文獻]

[1]邁克爾·夸克，朱利安·瑟達.半導體制造技術[M].韓鄭生，譯.北京：電子工業出版社，2009.

[2]FLAMM D L.Plasma etching， an introduction[M].Pittsburgh：Academic Press，1989.