感應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)的原理與故障分析

雷宇

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊 050051)

感應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)的原理與故障分析

雷宇

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊 050051)

介紹了ICPE法工藝的基本原理及其設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)。分析了影響ICP工藝刻蝕速率的主要因素。根據(jù)多年維修經(jīng)驗(yàn)，分析總結(jié)了ICP設(shè)備常見故障現(xiàn)象并給出了相應(yīng)的解決方法。

感應(yīng)耦合等離子體；干法刻蝕；故障分析

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，濕法刻蝕由于其固有的局限性，已不能滿足超大規(guī)模集成電路微米、甚至納米級(jí)細(xì)線條的工藝加工要求，干法刻蝕逐漸發(fā)展起來。在干法刻蝕中，感應(yīng)耦合等離子體（Inductively Coupled Plasma簡稱ICP）刻蝕法由于其產(chǎn)生的離子密度高、蝕刻均勻性好、蝕刻側(cè)壁垂直度高以及光潔度好，逐漸被廣泛應(yīng)用到半導(dǎo)體工藝技術(shù)中。

1 ICP刻蝕的基本原理及結(jié)構(gòu)[1，2]

1.1 基本原理

感應(yīng)耦合等離子體刻蝕法（Inductively Coupled Plasma Etch,簡稱ICPE）是化學(xué)過程和物理過程共同作用的結(jié)果。它的基本原理是在真空低氣壓下，ICP射頻電源產(chǎn)生的射頻輸出到環(huán)形耦合線圈，以一定比例的混合刻蝕氣體經(jīng)耦合輝光放電，產(chǎn)生高密度的等離子體，在下電極的RF射頻作用下，這些等離子體對基片表面進(jìn)行轟擊，基片圖形區(qū)域的半導(dǎo)體材料的化學(xué)鍵被打斷，與刻蝕氣體生成揮發(fā)性物質(zhì)，以氣體形式脫離基片，從真空管路被抽走。

1.2 ICP的結(jié)構(gòu)

ICP設(shè)備主要包括預(yù)真空室、刻蝕腔、供氣系統(tǒng)和真空系統(tǒng)四部分，如圖1所示。

圖1 ICP刻蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 預(yù)真空室

預(yù)真空室的作用是確?？涛g腔內(nèi)維持在設(shè)定的真空度，不受外界環(huán)境（如：粉塵、水汽）的影響，將危險(xiǎn)性氣體與潔凈廠房隔離開來。它由蓋板、機(jī)械手、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、隔離門等組成。

1.2.2 刻蝕腔體

刻蝕腔體是ICP刻蝕設(shè)備的核心結(jié)構(gòu)，它對刻蝕速率、刻蝕的垂直度以及粗糙度都有直接的影響?？涛g腔的主要組成有：上電極、ICP射頻單元、RF射頻單元、下電極系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)等組成，如圖2所示。

(1)上電極。上電極下表面布滿均勻小孔，它的功能是將刻蝕氣體均勻輸送到ICP的腔體的圓截面，以便等離子體的制備。

(2)ICP射頻單元。ICP射頻單元主要由射頻發(fā)生器、匹配網(wǎng)絡(luò)、射頻電纜以及耦合線圈、隔離裝置組成。在ICP射頻單元作用下，刻蝕氣體經(jīng)輝光放電，耦合感生出大量的等離子體。

(3)RF射頻單元。RF射頻單元由RF射頻發(fā)生器、匹配網(wǎng)絡(luò)和射頻電纜組成。射頻電纜的另一端接到下電極底部。提供等離子體的偏轉(zhuǎn)電壓。

圖2 ICP設(shè)備刻蝕腔

(4)下電極系統(tǒng)。下電極系統(tǒng)主要包括下電極板、基座、石英壓盤、氦氣單元、下電極冷卻系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。其主要作用是將RF射頻發(fā)生器提供的能量加到基片上。

(5)控溫系統(tǒng)。為了保證刻蝕的均勻性和重復(fù)性，刻蝕腔的溫度一定要精準(zhǔn)的控制。溫度的控制由高精度的溫控器來控制。

1.2.3 供氣系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)是向刻蝕腔體輸送各種刻蝕氣體，通過壓力控制器(PC)和質(zhì)量流量控制器(MFC)精準(zhǔn)的控制氣體的流速和流量。氣體供應(yīng)系統(tǒng)由氣源瓶、氣體輸送管道、控制系統(tǒng)、混合單元等組成。

(1)氣源瓶。各種刻蝕氣體最初都單獨(dú)存放在氣源瓶內(nèi)，純度達(dá)到99.9%以上,經(jīng)由控制系統(tǒng)輸送到混合單元，再送到刻蝕腔內(nèi)，產(chǎn)生等離子體。

(2)氣體輸送管道。氣體輸送管道包括兩部分。一是刻蝕氣體的從氣源瓶往刻蝕腔的輸送，另外一部分是刻蝕產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體的排空線。

(3)氣體控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)包括閥門、質(zhì)量流量控制器、壓力控制器等。

(4)混合單元?；旌蠁卧獙⒏骺涛g氣體在該單元進(jìn)行混合，形成一定比例的均勻混合氣體，再進(jìn)入ICP射頻單元，感應(yīng)耦合形成等離子體。

1.2.4 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)有兩套，分別用于預(yù)真空室和刻蝕腔體。預(yù)真空室由機(jī)械泵單獨(dú)抽真空，只有在預(yù)真空室真空度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，才能打開隔離門，進(jìn)行傳送片。刻蝕腔體的真空由機(jī)械泵和分子泵共同提供，刻蝕腔體反應(yīng)生成的氣體也由真空系統(tǒng)排空。

2 影響ICPE工藝的因素分析[2-4]

對于刻蝕工藝來說，不僅要求刻蝕速率快，又要刻蝕槽垂直度要好,粗糙度盡量小。因此，影響ICP工藝的因素也從這兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

影響ICP刻蝕速率的工藝因素主要有三方面：

（1）ICP射頻功率。在刻蝕腔體內(nèi)氣體流量、腔體壓力、下電極RF功率和溫度不變的情況下，增加ICP射頻功率，刻蝕速率隨著ICP射頻功率的增加而加快。當(dāng)ICP射頻達(dá)到一定的功率后，再增加ICP射頻功率，刻蝕速率反而會(huì)降低。其原因?yàn)椋寒?dāng)ICP射頻功率從小變大時(shí)，產(chǎn)生的等離子體密度也越大，就會(huì)有越多的離子和自由基去刻蝕，刻蝕速率也就相應(yīng)的加快。由于刻蝕氣體流量一定，當(dāng)ICP射頻功率達(dá)到一定值后，刻蝕氣體離子化程度不再增加，之后，再增加ICP射頻功率，中性粒和腔體側(cè)壁碰撞以及離子之間的碰撞機(jī)會(huì)大增，反而導(dǎo)致刻蝕速率變慢。

ICP射頻功率對端面陡直度也有這樣的影響，即ICP射頻功率較小時(shí)，等離子體密度不足，均勻性不強(qiáng)，則刻蝕側(cè)壁比較粗糙、底部有緩坡。隨著其功率增加，等離子體密度增加，基片刻蝕側(cè)壁逐漸變得光潔，側(cè)壁底部也變得陡直。但再加大ICP射頻功率，等離子體的密度過高，物理轟擊作用加強(qiáng)，等離子體的方向性變差，側(cè)壁又變得比較粗糙。

（2）RF射頻功率。在刻蝕腔體內(nèi)氣體流量、腔體壓力、ICP射頻功率和下電極溫度不變的情況下，增加下電極RF功率，刻蝕速率隨著下電極RF功率的增加而加快，側(cè)壁也會(huì)變得陡直光潔。其原因是：在RF射頻源功率比較小的時(shí)候，等離子體能量小，等離子體方向性不強(qiáng)，則速率慢，側(cè)壁光潔度差，增加RF射頻功率，使得等離子體的能量增加，與基片表面發(fā)生反應(yīng)的機(jī)會(huì)也增加。并且隨著等離子體能量的增加，物理轟擊作用加強(qiáng)，生成物被等離子體從基片表面脫落的幾率增大，刻蝕速率就越快。RF射頻功率的增加，等離子體的方向性加強(qiáng)，從而使側(cè)壁變得陡直光潔起來。

（3）壓力。在刻蝕腔體內(nèi)氣體流量、ICP射頻功率、下電極RF功率和溫度不變的情況下，改變刻蝕腔體內(nèi)壓力，刻蝕的速率隨著壓力的增大而減小。壓力增大以后，刻蝕腔內(nèi)等離子體碰撞幾率增加了，經(jīng)過碰撞，等離子體的速度變慢，其轟擊基片的力度就大大減弱，基片表面形成硬膜，導(dǎo)致刻蝕速率的下降。

3 常見故障現(xiàn)象與解決方法

感應(yīng)耦合等離子體刻蝕設(shè)備的故障可以分為：等離子體相關(guān)故障、RF射頻故障、真空問題、chiller相關(guān)故障以及無法開機(jī)現(xiàn)象。

3.1 等離子體相關(guān)故障

等離子體相關(guān)的故障可以分為不產(chǎn)生等離子體和等離子體密度低。

3.1.1 不產(chǎn)生等離子體

不產(chǎn)生等離子體的主要問題有以下幾種情況：

（1）ICP射頻源壞。措施：檢查ICP射頻源輸出信號(hào)、射頻電纜、匹配網(wǎng)絡(luò)，對故障點(diǎn)進(jìn)行維修。

（2）真空問題。措施：檢查各連接處的漏率，對漏率比較大的密封圈進(jìn)行更換；檢查真空泵組。

（3）壓力過大或過低。措施：檢查氣源壓力；檢查壓力閥；檢查真空閥。

3.1.2 等離子體密度低

感應(yīng)耦合出的等離子體密度低可從ICP功率源、氣源充足性、質(zhì)量流量控制器、腔壁是否污染等方面檢查。

3.2 RF射頻故障

RF射頻故障是ICPE法設(shè)備最常見的故障之一。其表現(xiàn)現(xiàn)象一般分為：反射功率大、無輸出功率。

3.2.1 反射功率大

反射功率大一般屬于匹配問題，一般情況下，若飄移不大，可通過設(shè)備的調(diào)節(jié)開關(guān)調(diào)整到允許范圍內(nèi)。但下列現(xiàn)象沒有辦法通過調(diào)節(jié)開關(guān)調(diào)到允許范圍之內(nèi)：匹配命令發(fā)出之后調(diào)整電機(jī)不轉(zhuǎn)、電容葉片變形卡住、位置電位器壞、位置電位器軸向緊固螺釘松動(dòng)、齒輪磨損等情況只能打開匹配箱進(jìn)行相應(yīng)位置的調(diào)整及維修。

3.2.2 無輸出功率

首先在射頻源的輸出接上50 Ω的假負(fù)載，以此判斷是射頻源問題還是射頻源之后的故障。若是接上假負(fù)載以后功率指示為零，說明射頻源有問題，維修射頻源。若接上假負(fù)載后功率指示不為零，說明射頻源完好，可檢查射頻線纜是否短路、腔體是否污染等。

3.3 真空問題

ICPE法刻蝕設(shè)備真空系統(tǒng)的好壞，是影響刻蝕質(zhì)量的重要因素之一，對真空系統(tǒng)的保養(yǎng)維護(hù)主要從以下幾個(gè)方面入手：

（1）定時(shí)檢查真空度，及時(shí)更換各個(gè)連接處的密封圈。例如刻蝕腔體和預(yù)真空室隔離門，由于經(jīng)常開合，很容易導(dǎo)致密封圈磨損而漏氣，應(yīng)及時(shí)更換。

（2）定期保養(yǎng)真空泵組。真空泵組由機(jī)械泵和分子泵組成。應(yīng)經(jīng)常檢查機(jī)械泵和分子泵的油面是否在廠家標(biāo)定的最高允許液面和最低允許液面之間。平時(shí)多留意機(jī)械泵的抽速，一旦機(jī)械泵抽速變慢，要及時(shí)檢查機(jī)械泵，否則很容易引起分子泵故障。

3.4 無法開機(jī)

無法開機(jī)的檢查順序?yàn)椋簭?qiáng)電是否進(jìn)入-總電源開關(guān)是否失效-保險(xiǎn)是否燒斷-EMO是否啟動(dòng)-連鎖保護(hù)開關(guān)-繼電器好壞-直流控制電源有無。

3.5 chiller故障

chiller是設(shè)備正常運(yùn)行、工藝穩(wěn)定的保障。Chiller故障檢查一般從氣體溫度保護(hù)開關(guān)、循環(huán)泵、制冷壓縮機(jī)、溫度控制板等方面檢查。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝對刻蝕的要求越來越高，ICP刻蝕設(shè)備滿足了這種需求。為保證工藝的穩(wěn)定性、重復(fù)性，設(shè)備的穩(wěn)定性是關(guān)鍵因素之一。熟練掌握ICP刻蝕設(shè)備的原理與組成構(gòu)造，掌握影響ICPE工藝的各方面因素，可以極大的縮短設(shè)備故障后的修復(fù)時(shí)間。另外，定期對設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)也是保證設(shè)備穩(wěn)定的一個(gè)重要手段。

[1] 李效白.等離子體微細(xì)加工技術(shù)新進(jìn)展[J].真空科學(xué)與技術(shù)，2000，20(3)：179-186.

[2] 樊中朝，余金中，陳少武.ICP刻蝕技術(shù)及其在光電子器件制作中的應(yīng)用[J].微細(xì)加工技術(shù)，2003(2)：21-28.

[3] 鄭志霞，馮勇建，張春權(quán).ICP刻蝕技術(shù)研究[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，43(8)：365-368.

[4] 朱海波，李曉良.Cl2/Ar感應(yīng)耦合等離子體刻蝕InP工藝研究[J].功能材料與器件學(xué)報(bào)，2005，11(3)：0377-0380.

上半年電子專用設(shè)備行業(yè)前三名銷售收入、利潤同步增長

電子專用設(shè)備行業(yè)前三名企業(yè)，江蘇蘇凈集團(tuán)有限公司、中電科電子裝備集團(tuán)有限公司和北方華創(chuàng)科技集團(tuán)股份有限公司，今年上半年共計(jì)完成電子專用設(shè)備銷售收入25.19億元，與去年同期相比平均增長8.3%。其中，江蘇蘇凈集團(tuán)有限公司上半年完成電子專用設(shè)備銷售收入12.5億元，繼續(xù)位居首位。北方華創(chuàng)科技集團(tuán)股份有限公司上半年電子專用設(shè)備銷售收入增速最快，同比增長達(dá)到44.3%。

這三家企業(yè)，今年上半年實(shí)現(xiàn)利潤共計(jì)3.2億元，同比增長8.1%。其中，中電科電子裝備集團(tuán)有限公司上半年實(shí)現(xiàn)利潤1.27億元，位居首位。北方華創(chuàng)科技集團(tuán)股份有限公司上半年實(shí)現(xiàn)利潤增速最快，同比增長達(dá)到15.2%。

The Principle of Inductively Coupled Plasma Etching Machine and Fault Analysis

LEI Yu
(The 13thResearch Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China)

This paper introduces the basic principle of the ICP process and the basic structure of the equipment.Analyzes the main factors influencing the ICP process etching rate.According to many years of experience in maintenance，analysis and summarizes the ICP equipment common fault phenomenon and gives the corresponding solutions.

ICP(Inductively coupled plasma)；Dry etching；Fault diagnosis

TN405.98+2

B

1004-4507(2017)05-0059-04

2017-07-20

雷宇（1982-）男，工程師，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，主要從事半導(dǎo)體設(shè)備的維護(hù)和維修工作。