影响TE5000干刻机刻蚀速率原因分析

朱恒杰　刘秀

摘 要：文章主要介紹了干刻机TE5000在做片过程中影响刻蚀速率的几个因素，包括腔体压力和RF功率、气体成分和流速、硅片温度、硅片间距不合适和维护不当、负载效应等，并对解决问题、改善刻蚀速率的措施进行了剖析。

关键词：干刻机；刻蚀速率；TE5000

刻蚀就是用化学或物理的方法有选择性地从硅片表面去除不需要的材料的过程。刻蚀的基本目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩膜图形。有图形的光刻胶层在刻蚀中不受到腐蚀源显著的侵蚀，这层掩蔽膜用来在刻蚀中保护硅片上的特殊区域而选择性地刻蚀掉未被光刻胶保护的区域。TE5000干刻机就是实现上述功能的一种干法刻蚀设备，在半导体行业广泛地应用于5寸和6寸硅片的刻蚀[1]。

下面结合作者的实践，介绍一下TE5000干刻机在做片过程中影响刻蚀速率的几个因素，并以具体实例对解决问题的措施进行剖析。

1 干刻机刻蚀速率分析

刻蚀速率R是干法刻蚀的主要参数，刻蚀速率低，易于控制，但不适合实际生产要求。对于VDMOS制造工艺，要有足够的刻蚀速率，且能重复、稳定地运用于生产中。本文讨论影响刻蚀速率的几个因素有：腔体压力和RF功率、气体成分和流速、硅片温度、硅片间距不合适和维护不当、负载效应等，下面分别对其进行介绍和分析。

1.1 腔体压力和RF功率

腔体压力、RF功率都是独立的设备参数，但在实际中，他们各自对刻蚀速率的影响是难以预计的。腔体压力低而RF功率较高，可以提高电子能量和入射离子的能量，增加功率也可以提高等离子体中活性剂和离子的密度。因此，在离子加速反应刻蚀中，降低腔体压力和增加RF功率，可以获得更好的各向异性刻蚀。腔体压力对刻蚀速率的影响，随刻蚀材料及气体的不同而有明显的差异。随着腔体压力的增加，刻蚀速率增大。对于刻蚀不同的材料，选择合适的刻蚀条件可以获得最大的刻蚀速率[2]。

所以一旦刻蚀速率发生明显的变化，要排查确认控制腔体的压力的分子泵和机械泵工作是否正常，叠阀控制是否精确，RF电源功率是否有输出，设定的输出的功率和实际功率是否有误差，RF匹配器对腔体上下电极的功率分配比例是否合理等。

1.2 气体成分和流量

气体成分在等离子体刻蚀或反应离子刻蚀中是影响刻蚀速率和选择比的关键因素。表1是VDMOS制造中常用的一些代表性刻蚀气体。在反应刻蚀中，若单纯使用某种刻蚀气体，刻蚀速率和均匀性不怎么理想。所以经常使用的是含多种成分的混合气体，这些混合气体由一种主要气体加入另一种添加剂组成，添加剂的作用是改善刻蚀速率、选择性、均匀性和刻蚀剖面。如在刻蚀Si3N4时，使用CHF3为主，添加O2后刻蚀速率更好。

气体流速决定反应剂的有效供给程度。一般工作条件中，气体流速对刻蚀流速R的影响不大。气体流速很小，刻蚀速率受反应剂供给量的限制；相反，当流速很大时，输送成为反应剂损失的主要原因。在一般情况下，活性反应剂的寿命很短，流速的影响不必考虑；当活性剂的寿命较长（例如F原子）时，流速对刻蚀速率R会产生影响。图1表示刻蚀速率的倒数和流速的线性函数。

一旦工艺确定好气体流速之后，若刻蚀速率还是经常发生较大波动的话，气体流速偏差也是原因之一。此时，安装在腔体前端的MFC时间用久了，有可能出现零点漂移，可以拆下对应流速波动较大气体的MFC送至仪器部门，对MFC进行彻底的校准，恢复零点漂移。

1.3 硅片温度

在反应刻蚀中，温度（包括上下电极温度和腔体温度）对刻蚀速率的影响，主要是通过化学反应速率体现的。为获得均匀、重复的刻蚀速率，必须严格控制衬底的温度。等离子体加热是衬底温度上升的主要原因，还有刻蚀过程的放热效应也不可忽视。

做片过程中，若出现上下电极和腔体的温度有波动，超出±5℃。就要检查CHILLER冷冻机中的压缩机冷媒是否泄露导致不会制冷；经过上下电极和腔体的3路管路是否有漏液；CHILLER冷冻机水箱中的热偶和下电极中的热偶是否有断路；防冻液乙二醇因长时间的挥发，其浓度（正常是80%）是否不够导致管路结冰堵塞；给硅片冷却的背HE压力和流量是否在设定参数范围内等因素，都会影响到硅片的温度。

1.4 硅片间距和维护不当

下电极上面的硅片和上电极之间的距离，在全自动做片时，要保持在28～31 mm，这个距离对刻蚀速率和均匀性的影响也是比较显著的。由于上电极的石墨电极会因片量的上升而凹陷进去，致使它们之间的距离变大，超出以上这个范围。例如，它们之间的距离变大时，就会出现如图2所示的异常现象。一般情况下，在片量达到8 000片左右，就要更换石墨电极。

如图3是TE5000干刻机腔体结构，一般是出厂时就固定的，不允许随意的改变。在达到规定的片数（Al后：3 000片；Al前：5 000片）后，腔体内部的3个气体分配器、石墨电极、陶瓷环、特氟龙护罩等结构件，要定期保养。否则，时间久了，腔体内部由于化学反应产生的黄色聚合物，对上电极的气体分配器和石墨电极的小孔会堵塞，在分子泵的高阀处的前端也会聚集大量的聚合物，影响腔体的颗粒度，这些都要及时清理干净。

1.5 负载效应

在反应刻蚀的过程中，刻蚀速率R往往随刻蚀面积的增大而减小，这种现象称为负载效应。这说明在一次刻蚀的过程中，需要刻蚀的硅片数目越多，由于反应原子和原子团的消耗，整体的刻蚀速率就越慢。在VDMOS集成电路制造中，随着刻蚀到达终点，被刻蚀材料的表面积也迅速减少，此时的刻蚀速率就会比正常刻蚀速率高得很多，不但进行过刻蚀，而且也加速了侧向刻蚀。从某种意义上说，负载效应是一种宏观过程，反应室中的某个硅片的存在将影响另一硅片的刻蚀速率。这就意味着等离子体中反应剂的输运过程要非常迅速，以致等离子体中的反应剂并不存在多大的浓度梯度，减少对刻蚀速率的影响。例如，在做片之前最好先暖机50片左右的片子，营造一个良好的预刻蚀氛围。再投入生产时，刻蚀速率的波动明显会小很多。

2 结语

综合上述，影响TE5000刻蚀速率的因素有：腔体压力和RF功率、气体成分和流速、硅片温度、硅片间距不合适和维护不当、负载效应等。经过实践证明，他们相互配合，能够得到比较理想的刻蚀速率。上述分析由实践及理论综合分析所得，适用于一般的TE5000干刻机。

[参考文献]

[1]迈克尔·夸克，朱利安·瑟达.半导体制造技术[M].韩郑生，译.北京：电子工业出版社，2009.

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