【原创】湿法刻蚀及其均匀性技术探讨

湿法刻蚀是化学清洗方法中的一种，是化学清洗在半导体制造行业中的应用，是用化学方法有选择地从硅片表面去除不需要材料的过程。其基本目的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。

从半导体制造业一开始，湿法刻蚀就与硅片制造联系在一起。虽然湿法刻蚀已经逐步开始被干法刻蚀所取代，但它在漂去氧化硅、去除残留物、表层剥离以及大尺寸图形刻蚀应用等方面仍然起着重要的作用。与干法刻蚀相比，湿法刻蚀的好处在于对下层材料具有高的选择比，对器件不会带来等离子体损伤，并且设备简单。

1 湿法刻蚀及其应用

1.1湿法刻蚀

湿法刻蚀是将刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的技术，是利用合适的化学试剂先将未被光刻胶覆盖的晶片部分分解，然后转成可溶的化合物达到去除的目的。

湿法刻蚀是刻蚀的一种方法,其他的有干刻蚀，等离子刻蚀等。湿法刻蚀这种刻蚀技术主要是借助腐蚀液和晶片材料的化学反应，因此我们可以借助化学试剂的选取、配比以及温度的控制等来达到合适的刻蚀速率和良好的刻蚀选择比。

1.2 湿法刻蚀的过程

（1）反应物扩散到欲被刻蚀材料的表面；

（2）反应物与被刻蚀材料反应；

（3）反应后的产物离开刻蚀表面扩散到溶液中，随溶液被排出。

在上述三步反应中，进行速度最慢的就是控制刻蚀速率的步骤，也就是说，该步骤的进行速率就是反应速率。通常情况下，是通过控制溶液的浓度和反应温度来控制反应的速度。溶液浓度制约着反应物和反应产物到达或离开反应表面的速度，而温度控制着化学反应的速度。

1.3湿法刻蚀的应用

常用的湿法刻蚀技术如下表所示：

（1）湿法刻蚀硅

单晶硅和多晶硅都可以在硝酸和HF的混合物中进行湿法刻蚀。反应先是HNO3在硅上形成一层二氧化硅，然后HF把这一层二氧化硅去掉。总的反应是：

Si+HNO3+6HFH2 → SiF6+HNO2+H2+H2O

可以用水来稀释刻蚀剂，但最好用醋酸来稀释，因为它对于HNO3的离解较少，这样就产生更高浓度的未离解的基团。

（2）湿法刻蚀二氧化硅

湿法刻蚀二氧化硅薄膜通常是用不同的HF来进行的。这是因为在室温下HF会和二氧化硅反应，而不会和硅反应。刻蚀的方程式如下：

SiO2 + 6HF → H2+ SiF6 +2H2O

（3）湿法刻蚀氮化硅

氮化硅可以在180℃的温度下，由回流煮沸的85%磷酸来刻蚀。然而在刻蚀过程中光刻胶也会被刻掉一点，因此在这个步骤中光刻胶的掩膜作用不是很好。因此大多数情况下都用一层薄二氧化硅层(热生长的或淀积的)来作氮化硅的掩膜。二氧化硅层先用光刻胶来作掩膜进行刻蚀，然后去胶，再用二氧化硅掩膜对氮化硅进行磷酸刻蚀。

（4）湿法刻蚀铝

湿法刻蚀铝和铝合金薄膜总的来说是在加热的(35～45℃)磷酸、硝酸、醋酸、和水，以及少量氟化氨溶液的混合液中进行刻蚀的。刻蚀速率依赖于包括刻蚀剂组分、温度、光刻胶类型、刻蚀过程中水的搅拌和铝薄膜中的杂质或合金等几个因素。湿法刻蚀铝的化学机制如下：用硝酸形成氧化铝，再用磷酸和水去除氧化铝。转变成Al2O3是和溶解过程同时发生的。

2 湿法刻蚀均匀性探讨

2.1 湿法刻蚀均匀性影响因素

刻蚀均匀性是一种衡量刻蚀工艺在整个硅片上，或整个一批，或批与批之间刻蚀能力的参数。保持硅片的均匀性是保证制造性能一致的关键，因过刻蚀或刻蚀不完全会直接导致晶片质量低下，甚至报废。

由于湿法刻蚀是晶片浸泡在腐蚀液中完成的，因此要保证刻蚀均匀性，就必须保证腐蚀液各参数在工艺槽内各处的一致性。相关参数主要有：溶液温度、溶液流场、药液浓度等。

2.2 提高湿法刻蚀均匀性的方法

（1）搅拌

在刻蚀槽内设置搅拌装置，使工艺处理过程中溶液不断搅拌，从而使溶液的温度、浓度等均匀性提高，进而提高刻蚀的均匀性。搅拌驱动装置大多由电机或汽缸来驱动，由于汽缸的平稳性受气源影响较大，容易产生扰动造成碎片率的提高，因此要求高的驱动装置应该选用电机。常用的搅拌方式有水平搅拌和垂直搅拌，搅拌方向应该与晶片表面同向，这样可以减小阻力和避免盲区。

 （2）晶片转动

半导体制造工艺过程中，晶片的传输和处理一般是装载在片盒中完成的。然而晶片的边缘与片盒不可避免会有接触，而且片盒的卡槽会遮挡相当面积的边缘，这是造成晶片边缘与中心刻蚀效果不一致的重要原因。如果在晶片的化学处理过程中，使晶片在片盒中做自转运动，避免某一边缘区域始终处于卡槽内，就可以有效改善这个问题。

 （3）溶液溢流循环

相比溶液静态刻蚀，利用泵让容易四面溢流循环起来，刻蚀均匀性会由很大的提高，因为溢流循环可大大改善溶液的温度均匀性、浓度均匀性以及流场状态。图3所示为溢流循环槽的结构，溶液从底部注入到工艺槽内，然后从四面顶部溢流到溢流槽，再从溢流槽底部排除。

如果在外部管路增加过滤器以去除刻蚀产生的杂质，并且采用外部热交换的方式进行加热或制冷，效果会更好。

 （4）溶液层流设计

    刻蚀溶液的流场决定着晶片局部接触有效刻蚀成分的机会，所以紊流会造成刻蚀的不均匀，因此流场应该尽量设计成层流方式。经实验和使用验证，如果溶液注入口设计为倒圆锥结构，且在顶部设计相应的匀流板，可改善流场。可利用流体分析软件Fluent，优化各参数，使流场接近层流。

3、结束语

湿法刻蚀工艺是半导体制造过程中非常重要的工艺之一，在漂去氧化硅、去除残留物、表层剥离以及大尺寸图形刻蚀应用等方面起着非常重要的作用。均匀性是刻蚀工艺的关键指标之一，本文列举的方法可以为相关工艺的开发提供参考。