在半导体制程工艺中,有很多不同名称的用于移除多余材料的工艺,如“清洗”、“刻蚀”等。如果说“清洗”工艺是把整张晶圆上多余的不纯物去除掉,“刻蚀”工艺则是在光刻胶的帮助下有选择性地移除不需要的材料,从而创建所需的微细图案。
一 半导体材料的清洗工艺
材料的清洗工艺是利用不同清洗试剂和不同的物理方法将半导体材料表面多余的物质去除,得到所有表面洁净的半导体制程。SZFEAT(富怡达或富一达)在半导体清洗制程提供的设备有全自动超声波清洗机、喷淋刷洗设备、自动脱胶清洗机等精密清洗设备。
清洗工艺分为化学清洗和物理清洗两大类型。化学清洗又分为酸清洗、碱清洗、水清洗、有机清洗等各类;物理清洗又分为:超声波清洗、喷淋清洗、摆动清洗、刷动清洗、旋转清洗等方式。SZFEAT(富怡达或富一达)精密清洗装备结合上述清洗方式,进行优化组合,形成特色,且可按用户需求,按不同清洗方式定制适合不同场景使用的清洗设备。
二 半导体材料的刻蚀工艺
材料的刻蚀工艺就是结合物理和化学方法以形成微细图案的半导体制程工艺的核心。刻蚀虽然不能像光刻机一样,直接绘制精密的图形,但可通过调节气体比例、温度、电场强度和气压等各种参数,使晶圆的数千亿个晶体管具有相同的图形。
刻蚀分为湿刻蚀和干刻蚀。湿刻蚀的优点是刻蚀速率相当快,且只采用化学方法,所以“选择比”较高。但其问题是只能进行等向性(Isotropic)刻蚀。干刻蚀则泛指采用气体进行刻蚀的所有工艺,即在晶圆上叠加光刻胶“模具”后,将其裸露于刻蚀气体中的工艺。干刻蚀可分为等离子刻蚀、溅射刻蚀和反应性离子刻蚀。与湿刻蚀不同,这些干刻蚀工艺采用各种不同的方式来刻蚀材料,所以,可以一目了然地说明非等向性和等向性刻蚀的特点。例如,采用化学反应的干刻蚀为等向性刻蚀,采用物理反应的刻蚀则为非等向性刻蚀。最近,随着RIE(非等向性高、刻蚀速率高的一种干刻蚀方法)成为主流,干刻蚀具有非等向性的认识已成了一种共识。
按材料区分,刻蚀工艺方法大致可分为化学方法和物理方法两种
化学方法就是采用与指定材料易反应的物质进行化学反应。光刻胶下面有许多要去除的物质,如在氧化工艺中生成的氧化膜或在沉积工艺中涂敷的一些其他物质等。化学方法就是采用易与想去除的材料产生反应,却不与光刻胶发生反应的物质,有针对性地去除材料。当然,根据要去除的材料,所使用的刻蚀剂(气体或液体)也不同。常用刻蚀剂有以氟或氯为基础的化合物等。化学方法的优点是“高选择比”,可以只去除想去除的材料。
物理方法是借助具有高能量的离子撞击晶圆表面,以去除材料,这种方法叫溅射刻蚀。该方法先把气体(主要使用惰性气体)气压降低,再赋予高能量,使气体分解为原子(+)与电子(-)。此时,朝晶圆方向施加电场,原子就会在电场作用下加速与晶圆发生冲撞。
这种方法的原理很简单,但在实际工艺中,仅凭这一原理很难达成目的。低气压意味着参加反应的气体量少,刻蚀速率当然就会慢下来。而且,采用物理方法时,会移除较大面积的本不该去除的材料。物理方法采用强行用力刻出材料的方法,发生冲撞时不会区分“应该”还是“不应该”去除的材料。(在后续介绍沉积工艺的沉积气体时也会说到溅射方法,大家不妨记住,有助于下文的理解。)
因此,在实际的刻蚀工艺中,我们主要采用将化学和物理方法相结合的反应性离子刻蚀。它将刻蚀气体变成等离子,以进行刻蚀。具体而言,这种方法在设备内投入混合气体后,赋予气体高能量,使其分解为电子、阳离子和自由基。质量较轻的电子基本上起不了什么作用,而在电场中向阳离子施加冲向晶圆方向的加速度,就会发生物理刻蚀。阳离子具有正电荷,在电场中加速时方向性很强。
近来,以进一步升级光刻机来提高密度的方法已达到了瓶颈。刻蚀工艺的重要性自然更加突显。CPU和AP等产品中的鳍式场效电晶体就是很好的一个案例。