感应耦合等离子体刻蚀机的原理与故障分析

雷宇

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄 050051)

感应耦合等离子体刻蚀机的原理与故障分析

雷宇

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄 050051)

介绍了ICPE法工艺的基本原理及其设备的基本结构。分析了影响ICP工艺刻蚀速率的主要因素。根据多年维修经验，分析总结了ICP设备常见故障现象并给出了相应的解决方法。

感应耦合等离子体；干法刻蚀；故障分析

随着半导体工艺技术的发展，湿法刻蚀由于其固有的局限性，已不能满足超大规模集成电路微米、甚至纳米级细线条的工艺加工要求，干法刻蚀逐渐发展起来。在干法刻蚀中，感应耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma简称ICP）刻蚀法由于其产生的离子密度高、蚀刻均匀性好、蚀刻侧壁垂直度高以及光洁度好，逐渐被广泛应用到半导体工艺技术中。

1 ICP刻蚀的基本原理及结构[1，2]

1.1 基本原理

感应耦合等离子体刻蚀法（Inductively Coupled Plasma Etch,简称ICPE）是化学过程和物理过程共同作用的结果。它的基本原理是在真空低气压下，ICP射频电源产生的射频输出到环形耦合线圈，以一定比例的混合刻蚀气体经耦合辉光放电，产生高密度的等离子体，在下电极的RF射频作用下，这些等离子体对基片表面进行轰击，基片图形区域的半导体材料的化学键被打断，与刻蚀气体生成挥发性物质，以气体形式脱离基片，从真空管路被抽走。

1.2 ICP的结构

ICP设备主要包括预真空室、刻蚀腔、供气系统和真空系统四部分，如图1所示。

图1 ICP刻蚀设备结构图

1.2.1 预真空室

预真空室的作用是确保刻蚀腔内维持在设定的真空度，不受外界环境（如：粉尘、水汽）的影响，将危险性气体与洁净厂房隔离开来。它由盖板、机械手、传动机构、隔离门等组成。

1.2.2 刻蚀腔体

刻蚀腔体是ICP刻蚀设备的核心结构，它对刻蚀速率、刻蚀的垂直度以及粗糙度都有直接的影响。刻蚀腔的主要组成有：上电极、ICP射频单元、RF射频单元、下电极系统、控温系统等组成，如图2所示。

(1)上电极。上电极下表面布满均匀小孔，它的功能是将刻蚀气体均匀输送到ICP的腔体的圆截面，以便等离子体的制备。

(2)ICP射频单元。ICP射频单元主要由射频发生器、匹配网络、射频电缆以及耦合线圈、隔离装置组成。在ICP射频单元作用下，刻蚀气体经辉光放电，耦合感生出大量的等离子体。

(3)RF射频单元。RF射频单元由RF射频发生器、匹配网络和射频电缆组成。射频电缆的另一端接到下电极底部。提供等离子体的偏转电压。

图2 ICP设备刻蚀腔

(4)下电极系统。下电极系统主要包括下电极板、基座、石英压盘、氦气单元、下电极冷却系统等结构。其主要作用是将RF射频发生器提供的能量加到基片上。

(5)控温系统。为了保证刻蚀的均匀性和重复性，刻蚀腔的温度一定要精准的控制。温度的控制由高精度的温控器来控制。

1.2.3 供气系统

供气系统是向刻蚀腔体输送各种刻蚀气体，通过压力控制器(PC)和质量流量控制器(MFC)精准的控制气体的流速和流量。气体供应系统由气源瓶、气体输送管道、控制系统、混合单元等组成。

(1)气源瓶。各种刻蚀气体最初都单独存放在气源瓶内，纯度达到99.9%以上,经由控制系统输送到混合单元，再送到刻蚀腔内，产生等离子体。

(2)气体输送管道。气体输送管道包括两部分。一是刻蚀气体的从气源瓶往刻蚀腔的输送，另外一部分是刻蚀产生的挥发性气体的排空线。

(3)气体控制系统。控制系统包括阀门、质量流量控制器、压力控制器等。

(4)混合单元。混合单元将各刻蚀气体在该单元进行混合，形成一定比例的均匀混合气体，再进入ICP射频单元，感应耦合形成等离子体。

1.2.4 真空系统

真空系统有两套，分别用于预真空室和刻蚀腔体。预真空室由机械泵单独抽真空，只有在预真空室真空度达到设定值时，才能打开隔离门，进行传送片。刻蚀腔体的真空由机械泵和分子泵共同提供，刻蚀腔体反应生成的气体也由真空系统排空。

2 影响ICPE工艺的因素分析[2-4]

对于刻蚀工艺来说，不仅要求刻蚀速率快，又要刻蚀槽垂直度要好,粗糙度尽量小。因此，影响ICP工艺的因素也从这两个方面进行分析。

影响ICP刻蚀速率的工艺因素主要有三方面：

（1）ICP射频功率。在刻蚀腔体内气体流量、腔体压力、下电极RF功率和温度不变的情况下，增加ICP射频功率，刻蚀速率随着ICP射频功率的增加而加快。当ICP射频达到一定的功率后，再增加ICP射频功率，刻蚀速率反而会降低。其原因为：当ICP射频功率从小变大时，产生的等离子体密度也越大，就会有越多的离子和自由基去刻蚀，刻蚀速率也就相应的加快。由于刻蚀气体流量一定，当ICP射频功率达到一定值后，刻蚀气体离子化程度不再增加，之后，再增加ICP射频功率，中性粒和腔体侧壁碰撞以及离子之间的碰撞机会大增，反而导致刻蚀速率变慢。

ICP射频功率对端面陡直度也有这样的影响，即ICP射频功率较小时，等离子体密度不足，均匀性不强，则刻蚀侧壁比较粗糙、底部有缓坡。随着其功率增加，等离子体密度增加，基片刻蚀侧壁逐渐变得光洁，侧壁底部也变得陡直。但再加大ICP射频功率，等离子体的密度过高，物理轰击作用加强，等离子体的方向性变差，侧壁又变得比较粗糙。

（2）RF射频功率。在刻蚀腔体内气体流量、腔体压力、ICP射频功率和下电极温度不变的情况下，增加下电极RF功率，刻蚀速率随着下电极RF功率的增加而加快，侧壁也会变得陡直光洁。其原因是：在RF射频源功率比较小的时候，等离子体能量小，等离子体方向性不强，则速率慢，侧壁光洁度差，增加RF射频功率，使得等离子体的能量增加，与基片表面发生反应的机会也增加。并且随着等离子体能量的增加，物理轰击作用加强，生成物被等离子体从基片表面脱落的几率增大，刻蚀速率就越快。RF射频功率的增加，等离子体的方向性加强，从而使侧壁变得陡直光洁起来。

（3）压力。在刻蚀腔体内气体流量、ICP射频功率、下电极RF功率和温度不变的情况下，改变刻蚀腔体内压力，刻蚀的速率随着压力的增大而减小。压力增大以后，刻蚀腔内等离子体碰撞几率增加了，经过碰撞，等离子体的速度变慢，其轰击基片的力度就大大减弱，基片表面形成硬膜，导致刻蚀速率的下降。

3 常见故障现象与解决方法

感应耦合等离子体刻蚀设备的故障可以分为：等离子体相关故障、RF射频故障、真空问题、chiller相关故障以及无法开机现象。

3.1 等离子体相关故障

等离子体相关的故障可以分为不产生等离子体和等离子体密度低。

3.1.1 不产生等离子体

不产生等离子体的主要问题有以下几种情况：

（1）ICP射频源坏。措施：检查ICP射频源输出信号、射频电缆、匹配网络，对故障点进行维修。

（2）真空问题。措施：检查各连接处的漏率，对漏率比较大的密封圈进行更换；检查真空泵组。

（3）压力过大或过低。措施：检查气源压力；检查压力阀；检查真空阀。

3.1.2 等离子体密度低

感应耦合出的等离子体密度低可从ICP功率源、气源充足性、质量流量控制器、腔壁是否污染等方面检查。

3.2 RF射频故障

RF射频故障是ICPE法设备最常见的故障之一。其表现现象一般分为：反射功率大、无输出功率。

3.2.1 反射功率大

反射功率大一般属于匹配问题，一般情况下，若飘移不大，可通过设备的调节开关调整到允许范围内。但下列现象没有办法通过调节开关调到允许范围之内：匹配命令发出之后调整电机不转、电容叶片变形卡住、位置电位器坏、位置电位器轴向紧固螺钉松动、齿轮磨损等情况只能打开匹配箱进行相应位置的调整及维修。

3.2.2 无输出功率

首先在射频源的输出接上50 Ω的假负载，以此判断是射频源问题还是射频源之后的故障。若是接上假负载以后功率指示为零，说明射频源有问题，维修射频源。若接上假负载后功率指示不为零，说明射频源完好，可检查射频线缆是否短路、腔体是否污染等。

3.3 真空问题

ICPE法刻蚀设备真空系统的好坏，是影响刻蚀质量的重要因素之一，对真空系统的保养维护主要从以下几个方面入手：

（1）定时检查真空度，及时更换各个连接处的密封圈。例如刻蚀腔体和预真空室隔离门，由于经常开合，很容易导致密封圈磨损而漏气，应及时更换。

（2）定期保养真空泵组。真空泵组由机械泵和分子泵组成。应经常检查机械泵和分子泵的油面是否在厂家标定的最高允许液面和最低允许液面之间。平时多留意机械泵的抽速，一旦机械泵抽速变慢，要及时检查机械泵，否则很容易引起分子泵故障。

3.4 无法开机

无法开机的检查顺序为：强电是否进入-总电源开关是否失效-保险是否烧断-EMO是否启动-连锁保护开关-继电器好坏-直流控制电源有无。

3.5 chiller故障

chiller是设备正常运行、工艺稳定的保障。Chiller故障检查一般从气体温度保护开关、循环泵、制冷压缩机、温度控制板等方面检查。

4 结束语

现代半导体工艺对刻蚀的要求越来越高，ICP刻蚀设备满足了这种需求。为保证工艺的稳定性、重复性，设备的稳定性是关键因素之一。熟练掌握ICP刻蚀设备的原理与组成构造，掌握影响ICPE工艺的各方面因素，可以极大的缩短设备故障后的修复时间。另外，定期对设备进行保养也是保证设备稳定的一个重要手段。

[1] 李效白.等离子体微细加工技术新进展[J].真空科学与技术，2000，20(3)：179-186.

[2] 樊中朝，余金中，陈少武.ICP刻蚀技术及其在光电子器件制作中的应用[J].微细加工技术，2003(2)：21-28.

[3] 郑志霞，冯勇建，张春权.ICP刻蚀技术研究[J].厦门大学学报（自然科学版），2004，43(8)：365-368.

[4] 朱海波，李晓良.Cl2/Ar感应耦合等离子体刻蚀InP工艺研究[J].功能材料与器件学报，2005，11(3)：0377-0380.

上半年电子专用设备行业前三名销售收入、利润同步增长

电子专用设备行业前三名企业，江苏苏净集团有限公司、中电科电子装备集团有限公司和北方华创科技集团股份有限公司，今年上半年共计完成电子专用设备销售收入25.19亿元，与去年同期相比平均增长8.3%。其中，江苏苏净集团有限公司上半年完成电子专用设备销售收入12.5亿元，继续位居首位。北方华创科技集团股份有限公司上半年电子专用设备销售收入增速最快，同比增长达到44.3%。

这三家企业，今年上半年实现利润共计3.2亿元，同比增长8.1%。其中，中电科电子装备集团有限公司上半年实现利润1.27亿元，位居首位。北方华创科技集团股份有限公司上半年实现利润增速最快，同比增长达到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，工程师，毕业于哈尔滨工业大学，主要从事半导体设备的维护和维修工作。