泡沫仪
收稿日期:2019-06-11
祝福生，夏楠君，赵宝君，黄鑫亮，王文丽
(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京101601)
摘
要：介绍了硅湿法刻蚀的工作原理，分析了影响硅刻蚀均匀性的主要因素，重点阐述了在湿
法腐蚀设备中提高硅刻蚀均匀性的方法。
关键词：湿法刻蚀；各向同性刻蚀；各向异性刻蚀；刻蚀均匀性；中图分类号:TN305.7
文献标识码:B
文章编号:1004-4507(2019)05-0013-04
Research on Technology of Improving Silicon Etching Uniformity by Wet Etching
ZHU Fusheng ，XIA Nanjun ，ZHAO Baojun ，HUANG Xinliang ，WANG Wenli
空速管
(The 45th Research Institute of CETC ，
Beijing 101601，China )Abstract:This paper introduces the working principle of silicon wet etching ，analyzes the main factors affecting the uniformity of silicon etching ，and focuses on the method of improving the uniformity of silicon etching in wet etching equipment.
Key words:Wet etching ；Isotropically etching ；Anisotropic etching ；Etching uniformity
刻蚀是把进行光刻前所淀积的薄膜中未被光刻胶覆盖的部分用化学或物理的方式去除，用以完成掩模图像的转移。刻蚀是半导体器件和集成电路的基本制造工艺，分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化学反应将被刻蚀物质剥离下来的方法；干法刻蚀的刻蚀剂是等离子体，是利用等离子体和表面薄膜反应，形成挥发性物质，或直接轰击薄膜表面使之被腐蚀的工艺。虽然湿法刻蚀在保证细小图形转移后的保真性方面不如干法刻蚀，但由于生产成本低、产能高、适应性强、表面均匀性好、对硅 片损伤少、其优良的选择比在去氧化硅、去除残留物、表层剥离以及大尺寸图形刻蚀等方面有着广泛
的应用。
湿法刻蚀的特点是：反应生成物必须是气体或能溶于刻蚀剂的物质，否则会造成反应物沉淀，影响刻蚀的正常进行；湿法刻蚀一般为各向同性，即水平方向和垂直方向的速率是相同的，这样会导致侧向出现腐蚀。因此，刻蚀后得到的图形结构不是理想的垂直墙；湿法刻蚀过程常伴有放热和放气现象，影响刻蚀速率，使得刻蚀效果变差。
硅湿法刻蚀是常用的刻蚀工艺，广泛应用于实际生产中。除湿法刻蚀工艺外，湿法刻蚀设备性能及工艺槽结构，是影响硅湿法刻蚀均匀性的重要因素，提高湿法刻蚀设备性能指标、优化工艺槽结构，是改善刻蚀均匀性的重要途径。
1硅的湿法刻蚀原理
最常见的硅刻蚀是各向同性刻蚀，刻蚀剂是HNO3、HF和水（或CH3COOH）的混和液。刻蚀过程：首先由HNO
3
在硅表面反应生成一层致密的SIO2薄膜，该层薄膜不溶于HNO3和水，利用HF
可将SIO
2
溶解掉，这样的过程连续不断地进行。
水用来稀释刻蚀剂，CH
3
COOH作为缓冲溶剂，可
以抑制HNO
3的分解，用以维持HNO
3
的浓度。总
的反应是：
SI+HNO3+6HF→H2SIF6+HNO2+H2+H2O
对于反应速率的调整，可以通过改变溶液的温度和HNO 3
与HF的配比，再配合水的稀释或缓
冲剂的添加来控制。当HNO黄花菜加工
3
的浓度较低时，刻蚀
液中有足够的HF溶解SIO
2，硅刻蚀速率由HNO
3
浓度决定；当HF浓度较低时，硅的刻蚀速率由HF浓度决定。
硅的另一种湿法刻蚀是各向异性刻蚀，各向异性腐蚀液包括无机刻蚀剂和有机刻蚀剂两种。常用无机刻蚀液是KOH、H
2
O、（CH3）2CHOH的混合液，反应式如下：
KOH+H2O=K++2OH-+H+
SI+2OH-+4H2O=SI(OH)62-+2H2
SI(OH)62-+6(CH3)2CHOH=[SI(OCH3H7)6]2-+6H2O 首先将硅氧化成含水的硅化物，然后与异丙醇反应，形成可溶性的硅络合物，硅络合物不断离开硅表面，水的作用是为反应提供OH-。常用有机刻蚀液有TMAH、EPW(邻苯二酚、乙二胺、水)和联胺等。
2提高湿法设备刻蚀均匀性的方法
2.1刻蚀均匀性
刻蚀均匀性是一种衡量刻蚀工艺在晶片内及晶片之间刻蚀一致性的参数，是保证芯片产品质量的关键指标之一。刻蚀速率和刻蚀剖面与图形尺寸及密度是影响刻蚀均匀性的原因，刻蚀均匀性与选择比有密切的关系，非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。 均匀性指标分晶片内刻蚀均匀性和晶片之间刻蚀均匀性两种。对于晶片内均匀性计算，需要测量晶片内不同点刻蚀深度数据，典型的被测点有：顶部、底部、中心、左侧、右侧，需要采集这5点的腐蚀数据，从这5点的中出最大值和最小值，然后计算5点的平均值，均匀性按照下列公式计算：（最大刻蚀率）-（最小刻蚀率）/2×（平均刻蚀速率）×100
2.2提高刻蚀均匀性的方法
本文以硅刻蚀各向同性酸刻蚀为例，探讨湿法刻蚀设备提高硅刻蚀均匀性的方法。
2.2.1刻蚀溶液的温度控制
刻蚀溶液温度是硅湿法刻蚀工艺重要工艺参数之一，对硅刻蚀速率产生较大影响。一般随着溶液温度的升高，刻蚀速率急剧增大，刻蚀同样深度所需的时间相应减少。通常硅湿法刻蚀是在刻蚀工艺槽内完成，为了提高产能，一次需要处理几十片，并且刻蚀过程化学反应剧烈，为放热反应，伴有大量热量放出，导致刻蚀溶液温度迅速升高，腐蚀速率加快，影响刻蚀效果，甚至产生过刻蚀现象。工艺温
度越高，刻蚀的晶片数量越多，刻蚀反应越剧烈，温度越难以控制。因此，一般酸法硅刻蚀均在较低的工艺温度下进行，通常使用的工艺温度为5℃、-5℃、-8℃、-12℃等。
提高刻蚀溶液温度控制精度，维持温度稳定性，是提高刻蚀均匀性的必要条件。刻蚀液温度的控制包含两个方面：一方面是温度控制精度，即工艺过程中实际温度与设定温度的最大偏差值；另一方面是工艺槽不同位置点溶液温度的最大差值，即槽内溶液温度的均匀性。槽内溶液温度均匀性可以通过循环和搅拌来保证。图1是硅刻蚀槽温度控制的一种方式。该温度控制系统由刻蚀槽、循环泵、制冷机、热交换器1、热交换器2、阀门及温控器等组成。与常规控制方式不同的是将热交
换器分为独立的两部分：热交换器1和热交换器2。热交换器2的换热面积是热交换器1的2倍，其换热面积和管束内溶液的体积可依据反应放热量计算得出。热交换器2内的溶液通过制冷机的作用一直处于制冷状态，并且温度远低于工艺温度。刻蚀槽工作过程为：当开始工作，槽内溶液温度距设定工艺温度差值较大，此时阀V1和阀V3关闭，其余阀门打开，溶液通过泵流经两个热交换器回到槽内，为强力制冷方式。当接近设定温度后，阀V1仍处于关闭状态，阀V3打开，阀V5关闭，溶液只流经热交换器1，热交换器1用于维持刻蚀溶液温度距设定温度波动不大的恒温控制，当槽内温度低于设定温度时，V1打开，其余阀均关闭，溶液不经过两个热交换器而通过旁路进入槽中，通过与环境热交换而维
持温度稳定。当放入晶片开始刻蚀时，由于放热反应，溶液温度骤然上升，两个热交换器相应阀门打开，溶液流经两个热交换器，交换器2内的低温溶液进入槽体内，使温度迅速下降并稳定在工艺温度范围内。此种方法温度控制精度达到≤±1℃，较好地保证刻蚀温度控制精度要求，并提高了刻蚀均匀性。2.2槽体的溢流循环
刻蚀工艺槽体一般为内外槽溢流结构.利用循环泵将外槽溶液吸出，流经热交换器冷却处理后，由内槽底部通过匀流板的均匀化处理注入到槽内。随着内槽溶液的增加，内槽液面不断上升，溶液以溢流的方式再流入到外槽，如此不断往复，
达到稳定工艺温度，提高溶液温度均匀性和溶液浓度均匀性的目的。如果在循环管路上加装过滤
装置，可以过滤掉刻蚀过程中产生的杂质，完成对槽内溶液的洁净化处理。
溶液循环流量是刻蚀需要控制的重要参数，流量的大小和稳定性影响到刻蚀的均匀性。在刻蚀过程需要保证流量的稳定性，可以通过采用变频磁力泵和流量计进行控制。循环流量过小时，溶液交换次数少，反应放出的热量不能及时扩散，溶液得不到补充，温度和溶液浓度均匀性较差，刻蚀均匀性不佳。提高循环流量，溶液交换次数增多，温度和溶液浓度均匀性得到提高，可以改善刻蚀的均匀性。但是，实验证明：当循环流量增加到一定值时，系统达到动态平衡，提高流量对刻蚀均匀性的改善已不明显。
2-氯-5-甲基吡啶刻蚀槽溢流方式也是影响刻蚀均匀性的因素。通常使用的溢流槽结构如图2所示。
该结构采用内槽四面溢流结构，内槽注入的溶液可以通过四周月牙槽均匀流到外槽。这种槽的缺点是刻蚀过程中，溶液在沿着晶片表面流动的同时，沿垂直于晶片表面的方向也有流动，导致流场紊乱，甚至会产生“涡流”，影响刻蚀效果。
图3是优化的刻蚀槽结构。该结构采用两面溢流结构，溶液仅沿着晶片表面方向流动，这样能够使流向固定，保证流场的稳定。通过实际工艺验
图1刻蚀槽温度控制原理图
图2刻蚀槽四面溢流结构图
刻蚀槽
交换器1
制冷机
V1
V3
V2
V5
V4
交换器2
晶片
刻蚀槽
图3刻蚀槽两面溢流结构图手提机箱
晶片
刻蚀槽
证，在保证其余工艺参数不变的情况下，能够改善刻蚀的均匀性。2.3溶液的流场微波烧结
提高刻蚀槽溶液流场的均匀与稳定性也是改善刻蚀均匀性的一个途径。流场的紊流状态对刻蚀均匀性是不利的，因此应使流场始终处于层流状态。刻蚀槽匀流板的结构对溶液流场均匀性有着至关重要的影响。图4是设计的两种匀流板的结构图。
图4中左边的匀流板所加工小孔的直径大小和孔间距是一致的。右边考虑到溶液底部注入不同位置流速差异的影响，设计成中间孔大两边孔小的结构。两种匀流板的流体仿真云图如图5所示。
从匀流板流速云图对比可以看出：孔非均匀布置的匀流板比均匀布置的流场更均匀，对改善刻蚀均匀性是有利的，这点也在实际使用中得到了验证。2.4抖动和晶片旋转
在刻蚀工艺过程中，使晶片抖动和旋转，可以提高溶液的温度、浓度均匀性，同时使化学反应所产生的气体从晶片表面脱出，避免了气泡对刻蚀的影响。设置晶片抖动和旋转装置，不但能够很好地改善刻蚀的均匀性，而且可避免晶片边缘由于片盒的遮挡在刻蚀过程中所产生的舟印。
抖动分竖直抖动和水平抖动。抖动方向应与晶片表面平行，这样除减小阻力外可以避免损伤晶片。工作过程中抖动和旋转是同时运动的。图6为一种晶片抖动和旋转的结构图。
抖动机构的抖动频率、抖动行程和旋转机构的转速都是影响刻蚀均匀性的重要参数。实验表明，大的抖动行程较小行程的抖动刻蚀均匀性会有显著的提高。抖动行程可根据晶片的尺寸确定，抖动行程在两个极限位置时晶片重叠区域越小越好，但这势必会造成槽体尺寸的增加，使溶液的使用量变大。提
高抖动频率和旋转速度，可以改善刻蚀的均匀性，但当抖动频率和转速增大到一定值时，刻蚀变得不稳定，均匀性变差，甚至出现晶片图形破损现象。
3结束语
以上所述的提高刻蚀均匀性的措施，其实质就是保证晶片刻蚀过程中刻蚀溶液温度和浓度的均匀性以及流场的稳定性。抖动频率、抖动行程、旋转转速等参数均需要在工艺调试过程中进行试验和
合理匹配，以便达到最佳的刻蚀效果。参考文献院
[1]段成龙，舒福璋，宋伟峰，等.湿法刻蚀及其均匀性技术探讨[J].清洗世界，2012，28(11)：33-36.
[2]张渊.半导体制造工艺[M ].北京：机械工业出版社，2015.
[3]
黄晶.多晶硅刻蚀特性的研究
[D].天津：天津大
学
，2018.
图4匀流板结构对比图
图5匀流板流速云图对比
图6晶片抖动及旋转机构
抖动机构
旋转机构
刻蚀槽
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