腔內氣壓對IGBT Si 溝槽刻蝕速率的影響

王云飛，付毅峰，高志廷

（1.河南機電職業學院智能工程學院，河南鄭州 451191；2.北京理工大學材料學院，北京 100081）

0 引言

傳統汽車排放大量含硫化物、氮化物的廢氣，與建立“環保友好型社會”的目標背道而馳。同時，隨著石油、煤炭資源的枯竭，新能源汽車越來越受到人們的重視。很多新技術應用在新能源汽車制造之中，在這些技術領域中，IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）在新能源汽車中的作用尤為突出。

IGBT 主要應用于新能源汽車電力驅動、充電樁、車載空調設施系統，是新能源汽車的核心部件。在動力驅動中，IGBT 將動力電池的直流電逆變成交流電，實現能量轉換[1]。在充電樁技術中，IGBT 主要應用于直流快速充電樁，將三相交流電整流調壓成電動汽車蓄電池充電所需的直流電，為電動汽車的電池充電。在車載空調系統中，DC/AC 逆變功能也是由IGBT 來實現的。

IGBT 作為系能源汽車的核心部件，一直由西歐、日本等發達國家控制，德國英飛凌、瑞士ABB、日本三菱3 家公司占據IGBT 市場的大部分份額。此3 家公司起步早、研發投大量，在原材料、產品設計以及設備制造上積累了豐富的經驗。

1 市場現狀

新能源汽車中功率半導體器件的價值約為傳統燃油車的5倍以上，其中IGBT 占新能源汽車電控系統成本的37%。2022年前11 個月，國內新能源汽車銷量中，比亞迪占有率達到36.4%，達21.76 萬輛，是特斯拉中國的3 倍。在全球市場上，比亞迪的銷量也達到了特斯拉的3/4。

我國作為制造業大國，對IGBT 需求量大。從“十五”計劃開始，國家就將IGBT 作為亟待攻克的16 項項尖端科技項目之一[2]。早在2009 年，比亞迪IGBT 就通過了中國電器工業協會電子電力分會組織的科技成果鑒定，標志著中國在IGBT 芯片技術上實現零的突破，打破了國際巨頭的技術壟斷。經過多年技術積累，比亞迪IGBT 不斷迭代，從1.0 邁入到4.0 時代，已經成為國內唯一擁有IGBT 全產業鏈的車企。

在工藝指標上，比亞迪IGBT 4.0 有長足進步，例如針對大規模應用于1200 V 車規級IGBT 的晶圓，厚度已減薄到120 μm。比亞迪IGBT 4.0 技術在芯片損耗、模塊溫度循環能力、電流輸出能力等關鍵指標上均處于領先地位。在電動車電流輸出能力上，比亞迪IGBT 4.0 高出市場主流產品15%，綜合損耗在同等工況下則降低約20%，溫度循環壽命提升10 倍以上。搭載比亞迪IGBT 4.0 后，整車百公里電耗能夠降低0.6 kW·h，能耗和用車成本大大降低。

第5 代IGBT 技術的溝槽技術的進一步研發，有利于改變國產新能源汽車在全球及國內市場上利潤薄弱的現狀。溝槽技術是第5 代IGBT 技術的一個重要改變，溝槽結構從根本上消除了球面PN 結的負面效應，使得IGBT 導通壓降大幅降低（圖1）[3]。門極（Gate）的作用是通過外加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT 導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關斷。IGBT 的驅動方法和MOSFET（Metal-Oxide Semiconductor FET，金屬—氧化物半導體場效晶體管）基本相同，只需控制輸入極N-溝道。

圖1 IGBT 溝槽柵截面

溝槽IGBT 的側壁比較薄，但是要承受大的功率，這使其對制備工藝的要求更高，主要表現在Si（硅）溝槽整體形貌，特別是底部結構形貌、粗糙度、填充技術等關鍵技術上。因此，Si 基體的微納加工工藝是制備IGBT 的工藝基礎。高深度比多層微結構的Si 表面微納加工技術，是在一整塊晶圓硅片上，通過光刻、蝕刻、鍍膜、等離子注入、退火處理等工藝手段，從而制備出IGBT 的技術[4]。本文主要研究刻蝕設備腔內氣體氣壓的變化，對Si 基刻蝕速率的影響。

2 制備實驗

2.1 光刻過程

采用北京創世威納科技有限公司的IBE150 刻蝕機對Si 片進行Ar 等離子清洗，烘烤樣片10 min，除去樣片Si 表面的水汽。在SC-1B 型勻膠機上對Si 片進行勻膠，光刻膠采用BP212。在NIKON 光刻機上進行曝光，曝光時間為100 s。使用專用顯影液進行顯影，顯影時間為30 s，然后放入去離子水清洗，N2氣槍吹干樣品。最后在烘干機上，120 ℃條件下保持5 min，完成堅膜。

光刻的主要目的是通過投影的方法，將掩膜版上的大規模集成電路的結構圖形刻畫在涂有光刻膠的硅片上，通過光的照射使光刻膠成分發生化學反應，從而生成電路（圖2）。

圖2 光刻設備結構示意

顯影的主要目的是把掩膜版上的圖形準確復制到光刻膠上。顯影的三個主要問題是顯影不足、不完全顯影和過顯影。顯影不足的線條比正常線條要寬，并且在側面有斜坡；不完全顯影在襯底上留下應該在顯影中去掉的剩余光刻膠；過顯影除去太多的光刻膠，引起圖形變窄和拙劣的外形。

2.2 刻蝕過程

使用北京創世威納科技有限公司的ICP601 型耐氟基或更弱腐蝕性氣體刻蝕機對Si 基進行刻蝕，刻蝕機結構如圖3 所示。刻蝕機硬件主要包括上電極電源、下電極電源、腔體、靜電吸盤、電氣控制部分等。刻蝕氣體為SF6、CHF3等F 基氣體，上電極電源解離氣體，下電極電源發揮偏壓作用，牽引離子。在上、下電極電源的共同作用下，電場離解出F-和電子，可以保證在腔體內持續產生等離子體[5]。等離子體在下電極電源的牽引下，對固定在靜電吸盤上的Si 片進行刻蝕。

圖3 刻蝕設備結構示意

ICP601 型耐氟基或更弱腐蝕性氣體刻蝕機的工作臺可升降、電源配置為上電極射頻、下電極偏壓，可全自動和半自動控制。刻蝕材料可以是單晶硅、多晶硅、SiO2、Si3N4、Ti、W、聚合物等，刻蝕速率0.1～4 μm/min。刻蝕腔體為高真空系統，刻蝕不均勻性±3%～±6%。

3 結果與分析

IGBT 是由雙極型三極管和絕緣柵型場效應管組成的符合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOS-FET 的高輸入阻抗和電力晶體管的低導通壓降的優點。電力晶體管飽和壓降低、載流密度大，但驅動電流較大；MOS-FET 驅動電流很小、開關速度快，但導通壓降大、載流密度小。IGBT 綜合了上述兩種元器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。

腔內氣壓影響刻蝕速率的因素包括離子轟擊效應、化學反應速率、物理碰撞效應。離子轟擊效應是在等離子刻蝕過程中，高能離子對表面材料進行物理轟擊，從而導致材料的剝蝕。離子的轟擊能量與氣體中粒子的密度和能量有關，因此腔內氣壓的變化會影響離子轟擊效應，進而影響刻蝕速率。化學反應速率是指刻蝕過程中的氣體與表面材料發生化學反應，產生揮發性產物，從而促使材料的剝蝕。腔內壓力的變化會影響氣體分子的擴散速率和反應速率，進而影響刻蝕速率。物理碰撞效應是在等離子體刻蝕過程中，離子與氣體分子之間的碰撞，也會影響刻蝕速率。腔內壓力的變化會影響離子與氣體分子的平均自由程，從而影響碰撞頻率和能量轉移，進而影響刻蝕速率。

實驗結果表明，隨著腔體內F 基氣體氣壓的增加，刻蝕速率先增加，當氣壓為5 Pa 時，刻蝕速率達到最大值0.24 μm/min，而后隨著氣壓的增大，刻蝕速率減小（圖4）。

圖4 刻蝕速率變化

在ICP 功率為定值的條件下，F 基氣體量的增加，氣體解離的概率變大，F-的濃度增大，更多的F-離子在下電源牽引的作用下，更多地集聚在Si 片的表面，被表面吸附。Si 片表面的F-濃度越大，則參與反應的F-越多，因此提高了刻蝕速率。

而進一步繼續提高腔體的壓力，會解離出更濃的電子云。在刻蝕功率條件不變的條件下，電子云內部的單個電子的平均能量降低，電子與SF6氣體原子碰撞的概率變小，則解離出的F-的濃度變小。大部分的F 基氣體還沒有被解離就被真空泵抽走、排出腔體，刻蝕氣體的利用率大大降低，刻蝕速率反而降低。

4 結論

腔內氣壓影響刻蝕速率的因素包括離子轟擊效應、化學反應速率、物理碰撞效應。蝕刻前期，隨著氣壓的增大，解離出的F-的濃度增加，參與反應的F-增多，刻蝕速率增大，當氣壓為5 Pa時，刻蝕速率達到最大值0.24 μm/min。中后期隨著氣壓的增大，單個電子的平均能量降低，解離出的F-的濃度變小，參與反應的F-減少，導致刻蝕速率減小。