半导体设备硅刻蚀机概述

在众多半导体工艺中，刻蚀是决定特征尺寸的核心工艺技术之一。刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀采用化学腐蚀进行，是传统的刻蚀工艺。它具有各向同性的缺点，即在刻蚀过程中不但有所需要的纵向刻蚀，也有不需要的横向刻蚀，因而精度差，线宽一般在3um以上。干法刻蚀是因大规模集成电路生产的需要而开发的精细加工技术，它具有各向异性特点，在最大限度上保证了纵向刻蚀，还可以控制横向刻蚀。本节介绍的硅等离子刻蚀机就是属于干法ICP（Inductively Coupled Plasma）刻蚀系统。它被广泛应用在微处理器（CPU）、存储（DRAM）和各种逻辑电路的制造中。

典型的硅刻蚀机系统结构如下图2-1所示。整个系统分为传输模块（Transfer Module）、工艺模块（Process Module）等。

图2-1 典型的硅刻蚀机系统结构  传输模块由Loadport、机械手（Robot）、硅片中心检测器等主要部件组成，其功能是完成硅片从硅片盒到PM的传输。Loadport用于装载硅片盒，机械手负责硅片的传入和传出。在传送过程中，中心检测器会自动检测硅片中心在机械手上的位置，进而补偿机械手伸展和旋转的步数以保证硅片被放置在PM静电卡盘的中心。  工艺模块（PM，如图2-2所示）是整个系统的核心，刻蚀工艺就在PM中完成。一个机台可以带2－4个工艺模块，工艺模块包括反应腔室、真空及压力控制系统、射频（RF）系统、静电卡盘和硅片温度控制系统、气体流量控制系统以及刻蚀终点检测系统等。其反应原理概述如下：  刻蚀气体（主要是F基和Cl基的气体）通过气体流量控制系统通入反应腔室，在高频电场（频率通常为13.56MHZ）作用下产生辉光放电，使气体分子或原子发生电离，形成“等离子体”（Plasma）。在等离子体中，包含由正离子（Ion＋ ）、负离子（Ion－ ）、游离基（Radical）和自由电子（e）。游离基在化学上很活波、它与被刻蚀的材料发生化学反应，生成能够由气流带走的挥发性化合物，从而实现化学刻蚀。另一方面，如图2-2所示，反应离子刻蚀腔室采用了阴极面积小，阳极面积大的不对称设计。在射频电源所产生的电场作用下带负电的自由电子因质量小，运动速度快，很快到达阴极；而正离子则由于质量大，速度慢不能在相同的时间内到达阴极，从而使阴极附近形成了带负电的鞘层电压。同时由于反应腔室的工作气压在10－3 ～10－2 Torr，这样正离子在阴极附近得到非常有效的加速，垂直轰击放置于阴极表面的硅片，这种离子轰击可大大加快表面的化学反应以及反应生产物的脱附，从而导致很高的刻蚀速率。正是由于离子轰击的存在才使得各向异性刻蚀得以实现。