掌握刻蚀时间及终点探测技巧

与湿法刻蚀不同，干法刻蚀有很高的选择比，过度地刻蚀可能会损伤下一层的材料，因此就必须准确无误地掌握刻蚀时间。另外，机台状况的稍微变化，如气体流量、温度和被刻蚀材料批次间的差异，都会影响刻蚀时间的控制，因此必须时常检查刻蚀速率的变化，以确保刻蚀的可重复性。使用终点探测器可以计算出刻蚀结束的准确时间，进而准确地控制过度刻蚀的时间，以确保多次刻蚀的重复性。常见的终点探测分为光学放射频谱分析（optical emission spectroscopy，OES）、激光干涉测量法（laser interferometry）和质谱分析法（mass spectroscopy）三种。

1.光学放射频谱分析

光学放射频谱分析是利用探测等离子体中某种波长的光线强度变化来达到终点探测的目的。这种光线的激发，如图6-13所示，是由于等离子体中的原子或分子被电子激发到某个激发状态再返回到另一个状态时所伴随发射的光线。光线可通过刻蚀腔壁上的开窗观测，不同原子或分子所激发的光线波长不同，光线强度变化反映了等离子体中原子或分子的浓度变化。欲探测波长的选择有两种方式：①反应物的光线强度在刻蚀终点会增加；②反应产物的光线强度在刻蚀终点会减少。图6-12是一个去光刻胶工艺的终点探测情形，所探测的分子是CO（波长为483.5 nm）。

图6-12　光学放射频谱分析

（a）光学放射频谱分析仪的光学发射机制（b）光学放射频谱分析仪在去胶时的终点探测

光学放射频谱分析是最常用的终点探测器，因为它可以很容易地加在刻蚀设备上且不影响刻蚀的进行，同时它还可以灵敏地探测反应过程的微变化以及提供有关刻蚀反应过程中许多有用的信息。但是光学放射频谱分析仍有一些缺点与限制：一是光线强度正比于刻蚀速率，所以难以探测刻蚀速率较慢的刻蚀过程。另外一个限制是当刻蚀面积很小时，信号强度的不足会导致终点探测失败。如在SiO2接触孔的刻蚀工艺中的信号强度就比较弱，若在接触孔外提供大面积SiO2来同时进行刻蚀，可增加信号强度，但大区域的刻蚀速率又大于接触孔的刻蚀速率（即RP微负载效应），因此仍需要过度刻蚀以确保接触孔能完全刻蚀。

2.激光干涉测量法

激光干涉测量法是探测透明的薄膜厚度变化，当停止变化时即为刻蚀终点。厚度的探测是利用激光垂直射入透明的薄膜，被透明薄膜反射的光线与穿透透明薄膜后被下层材料反射的光线互相干涉，当透明薄膜的反射率（n）、入射激光的波长（λ）及薄膜厚度变化（Δd）符合条件Δd=2κλ/2时，形成叠加干涉，因而接收到的信号出现最大值；满足条件Δd=（2κ+1）λ/2时，将发生相消干涉而出现最小值；在其他情况下，接收到的信号介于最大值和最小值之间。因此，每刻蚀Δd的厚度，接收到的信号便有一最大值出现，图6-13为一个激光干涉测量的图形，激光波长为253.7 nm，被刻蚀材料是SiO2，箭头所指处是刻蚀终点，测量到刻蚀终点的时间可获得即时的刻蚀速率。(www.xing528.com)

图6-13　二氧化硅刻蚀时激光干涉终点探测器探测的图形，箭头所指为刻蚀终点

激光干涉测量法也有一些限制：①激光束必须聚焦在晶片上的被刻蚀区，而且此区的面积要够大（例如0.5 mm2）；②即使晶片存在足够大的面积供激光干涉探测，但激光必须对准在该区上，因而增加了设备及晶片设计的困难；③被激光照射的区域温度升高，将影响刻蚀速率，造成刻蚀速率与其他区域不同的情形；④如果被刻蚀表面粗糙不平，则所测得的信号将会很弱。

3.质谱分析法

质谱分析法是另一种终点探测的方法。此外，它还可以提供在刻蚀前后，刻蚀腔内成分的相关信息。这种方法是利用刻蚀腔壁上的洞来对等离子体中的物质成分取样。取得的中性粒子被灯丝所产生的电子束解离成离子，离子经过电磁场出现偏折，不同质量离子的偏折程度不同，因而可将离子分辨出来，不同的离子可通过改变电磁场大小来进行收集。当这种方法应用于终点探测时，将电磁场固定在欲观测或分析离子所需的电磁场大小，并观察计数的连续变化，便可得知刻蚀终点。质谱分析虽然能提供许多有用的信息，但是仍有一些缺点，具体如下。

（1）部分化合物的质荷比相同，如N2、CO、Si，使得探测同时拥有这些成分的刻蚀时，难以判断刻蚀终点。

（2）取样的结果将左右刻蚀终点的探测。

（3）质谱分析设备不容易安装在各种刻蚀机台上。