晶圓製程中的乾蝕刻與濕蝕刻是什麼?

2020-10-06

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利用化學反應將薄膜予以加工,使獲得特定形狀的作業稱為蝕刻。蝕刻可分為乾式蝕刻與濕式蝕刻兩種。

       

最常使用的乾式蝕刻為平行板反應性離子蝕刻。這種方法是將晶圓板置於真空的化學反應室中,導入所需的蝕刻氣體。與上部電極平行放置的晶圓板支持架加上高頻電壓時,氣體將被電漿化,正、負離子或電子等的帶電粒子以及中性的活性種源等等在電漿中相互混合於一處。當蝕刻種源為薄膜所攜著時,晶圓板表面便將引起化學反應,反應後之物質將自表面脫離並循排氣排至外部,藉此進行蝕刻。

    

乾式蝕刻中,為使能夠獲得與感光圖型相同的高精度微細加工作業起見,被蝕刻的材料與感光材料的蝕刻速度比(選擇比)宜大,作業時必須注意晶圓缺陷的產生、雜質汙染、晶圓板表面的帶電情形。此外,同一晶圓板內常會發生由於圖型粗細不同而造成蝕刻速度不同的「微型負載效應」。

    

最近,高微細化的IC也已逐漸採用高密度的電漿蝕刻裝置。

另一方面,使用藥液的濕式蝕刻,大致上可以分為浸漬式與旋轉式兩種。浸漬式使用石英或鐵氟龍製的蝕刻槽,槽中儲存藥液,將置於托架中的晶圓板浸入其中。藥液則使用電子材料專用的潮高純度藥液,在重複蝕刻後,必須除去殘存於藥物中的汙物,同時為維持於一定溫度起見,藥液以循環過濾器予以循環。

    

旋轉式則是將晶圓板固定於旋轉支持台上,一面旋轉晶圓板一面噴出藥液進行蝕刻。濕式蝕刻為等方的進行蝕刻,由於容易產生邊緣蝕刻現象,故不宜使用於微細圖型的蝕刻,這種方式現在僅使用於需全面除去薄膜的工作中。

    

IC製造過程中,為使各種材料薄膜依照既定的形狀加工所進行的圖型化作業稱為光蝕刻(lithography)工程。光蝕刻工程的作業是利用塗布基在晶圓板表面塗布一層薄感光性樹脂開始進行。利用真空鉤扣將晶圓板固定於塗布機的旋轉支持台上,由噴嘴在晶圓板表面噴出液狀的感光劑,然後高速轉動晶圓板,使被覆一層均勻的光阻薄膜。光阻薄膜的厚度則由光阻劑黏度或光阻劑中的溶媒種類以及塗布機的轉速與轉動時間而定。

    

光阻性樹脂由於具有感光性,其特性依溫度、濕度而有微妙的關係,因此,處理光阻薄膜的無塵室必須使用具有波長較長的黃色光做為照明,並嚴格控制其中的溫度與濕度。感光樹脂可分為感光部分的圖型在顯影處理中予以除去的正型以及保留感光部分的負型兩種。

    

一般而言,g線或i線用的光阻薄膜由酚醛環氧系樹脂、感光劑、溶媒等構成。另外,最近在KrF excimer laser(受激準分子雷射)則採用由樹脂、養產生劑、溶媒的混合液組成的「化學放大型」。化學放大型的感光作業必須極力減少鹼性系有機雜質,因此感光作業場所多使用化學過濾器(=利用化學反應以捕捉有機系的雜質)。塗布感光樹脂的晶圓板在熱烘之後,則被轉移至曝光工程中。

   

為使江光罩的圖型印刷於晶圓板上,塗布光阻物質的晶圓板被固定於名為步進機的曝光裝置上。在步進機上,光源經過若干透鏡系,並透過大小為實際圖型4~5倍的光罩(稱為reticle)之後,將圖型縮小並投影於晶圓板上。完成一枚晶片曝光作業後,移動台架,進行次一晶片的曝光……,依此類推將全部的晶片予以掃描並曝光。

決定步進機性能的最大因素為光源的波長(λ)與透鏡的口徑數(NA:Numreical Aperture)。解析度與波長成比例,而與口徑成反比。因此為了能獲得高解析起見,宜使用短波長光源與大口徑的透鏡。

只不過這時的焦點深度將較淺。所謂聚焦深度,是用於表示對於晶圓板表面上之凹凸部分所能夠獲得的穩定解析程度。因此,在使用短波長的光現與大口徑之透鏡時,也必須同時進行晶片表面的平坦化作業。

      

在利用步進機複製光罩圖型時,除了最初的曝光工程外,從第二次以下的作業,必須使晶圓板上形成的圖型與光罩的圖型精密地吻合,因此,在光罩上必須附加對準用的標記,晶圓板上的標記與光罩上的標記兩者對準之後再進行曝光,而這時的精度便稱為重合精確度。

以步進機曝光的晶圓板在經PEB(Post Exposure Bake)的輕度熱處理後,進行顯影處理(Develop)。PEB作業除了用來去除曝光時由於訂在波的影響使圖型邊源所殘留的毛邊之外,同時使excimer laser 用化學放大型光阻薄膜的觸媒反應中加速氧氣的產生。

使用顯影機(Developer)進行顯影作業,將強鹼性的TMAH顯影業滴於旋轉中的晶圓板上,或者利用噴霧方式。

       

顯影處理中所使用的光化學反應可以分為以下兩種―

  • 正型光阻:藉由化學反應,使曝光部分溶於鹼性溶液的化學構造。
  • 負型光阻:利用負型光阻時,未照射光之部分巨友能夠溶於鹼性溶液的性質,藉由光化學反應殘留不溶於鹼性溶液的圖型部分。接著測試顯影完成的感光圖型是否與圖案設計時的尺寸相同、圖型邊緣的清晰程度等。