工艺技术_玻璃蚀刻工艺概述

1 Etching Process 2 Contents ?Etching Introduction ?Dry Etching Process ?Wet Etching Process ?Cleaning Process Introduction ?Summary ?Etching Introduction 3 ?Etching Introduction (1) 基板表面平坦化 薄膜區 黃光區 蝕刻區 (2) 鍍膜 (3) 上光阻 (4) 曝光、顯影 (5) 蝕刻（蝕刻（Dry or Wet） (6) 去光阻（去光阻（Wet） 4 Etch Profile 5 Dry Etch vs. Wet Etch ?Comparison of Equipment Up-Time Throughput Running Cost Foot Print Initial Cost Comparison of Equipment HighLow HighLow HighHigh LargeSmall LowHigh Wet etchDry Etch 6 Dry Etch vs. Wet Etch ?Comparison of Process Multi Layer Etch Profile Control Selectivity to Under Layer CD Loss Repeatability Uniformity Etch Rate Comparison of Process Very PoorGood GoodPoor PoorGood LargeSmall DifficultPossible PoorGood HighLow Wet etchDry Etch 7 Etching Mechanism（1） 8 Etching Mechanism（2） 9 Contents ?Etching Introduction ?Dry Etching Process ?Wet Etching Process ?Cleaning Process Introduction ?Summary ?Dry Etching Process 10 Dry Etch What is Plasma ? - A plasma is a “quasi-neutral” gas of charged and neutral particles which exhibits “collective behavior”. -指一個遭受部分離子化的氣體；氣體的組成，有各種帶 電荷的電子、離子 指一個遭受部分離子化的氣體；氣體的組成，有各種帶 電荷的電子、離子 ( Ion )，及不帶電的分子和原子團，及不帶電的分子和原子團 ( Radicals )等，其總帶電量為零。等，其總帶電量為零。 ?Plasma 11 Dry Etch What is Plasma etch ? 產生產生 Plasma 三要素三要素 : RF Power / Electrode Space / Low Pressure 12 Nonmetallic Etching Film Etchant Selectivity SF6/O2 CF4/O2 Cl2/O2 50:1 -Si HBr/O2 100:1 SF6/O2 CF4/O2 NF3/O2 SiNx CHF3/CH2F2/O2 CF4/O2 CHF3/O2 TEOS & SiOx C4F8 good 13 Metallic Etching F ilm E tchant A l& T i B C l3/C l2 B C l3 enhance the etch ability of m etal oxide in initiate etching C r C l2/O 2 R esidual C l2 exposure in atm ospheric hum idity to form H C l, w hich corrode the m etal. SF6/C F4/O 2 M oW & M o C l2/O 2 C H 4/H 2 C l2 H I IT O H B r 14 SiOx mechanism 15 What are the concerns for Dry etching？ ?Uniformity & Etching rate ?Taper profile control ?CD loss control ?Selectivity ?Plasma damage ?PR removal ?Residue ?EPD control 16 Taper Profile Control 17 Taper Profile Control 18 Taper Profile Control 19 Taper Profile Control ?Step coverage 20 Taper Profile Control ?Tapering feature by resist erosion 21 CD Loss Control ?Critical DimensionLoss 黃光製程完成後原本是黃光製程完成後原本是 10 um 的線，經過蝕刻製 程後量測，線寬變為 的線，經過蝕刻製 程後量測，線寬變為 9 um，則，則 CD Loss 為為 1um。 線寬越來越小時，線寬越來越小時，CD Loss Control 則更為重要。則更為重要。 Taper 會影響線寬。會影響線寬。 當線寬變小時，當線寬變小時，Taper 較不重要，較不重要，CD Loss則較為 重要。 則較為 重要。 22 Selectivity 23 Plasma Damage ?PR after Implantation 24 PR Removal ?PR Removal Issue Ion dopping製程完成後，光阻會有無法去除的問題，尤其 是在高劑量及長時間的製程後。 乾蝕刻製程如果蝕刻時間過久，也會有光阻去除的問題。 濕蝕刻時，因為光阻直接接觸有機化學品的關係，有可能 起反應使光阻無法去除。 去除難去的光阻層時，會先做光阻乾蝕刻 ( slice ashing )， 其目的是利用乾蝕刻將光阻層表面最難去除的部分蝕刻掉， 之後再用濕式去殘餘的光阻。 25 Residue PR Un-removable：PR / Al（hillocks） 26 EPD Control EndPointDetector Optical Emission Spectroscopy 27 EPD Control ?Pressure and Bias Change 28 Plasma Etching ?Dry Etch Parameters Effects of Pressure Effects of Frequency Effects of Temperature Effects of RF Power 29 The Effects of Pressure 30 The Effects of Frequency 31 The Effects of Temperature 32 The Effects of Power 33 Summary Process stability and repeatedly Different layer etch Contact hole etch PR Fully Ashing HDP Developing ?Future Tasks for Etching Process 34 TFT Etching Equipment ?Comparison of Plasma Source 35 Dry Etcher 450E & HAI PEPE ( A n o d e C o u p l e )( A n o d e C o u p l e ) R I E R I E ( C a t h o d e C o u p l e )( C a t h o d e C o u p l e ) S W P S W P ( M i c r o w a v e S l o t A n t e n n a )( M i c r o w a v e S l o t A n t e n n a ) TC P, I C P C C PHDP TC P, I C P C C PHDP Q u a r t z W i n d o w R F Pl a s m a R F Pl a s m a M i c r o w a v e W a v e g u i d e Hi g h De n s i t y Pla s m a G r i d S l o t A n t e n n a R F R F Hi g h De n s i t y Pl a s m a HDP S o u r c eDi e le c t r i c W in d o w S y s t e m R F 13. 56 M Hz 13. 56 M Hz 13. 56 M Hz 2 . 45G Hz A s h e rA s h e rEt c h e rEt c h e r 36 Plasma Etching Comparison of CCP vs. HDP C u r r e n t C C P Te c h n o l o g yHDP Te c h n o l o g y 37 Plasma Etching Advantage of low pressure high density plasma 38 Dry Etcher 450E 39 Dry Etcher 450E ?TransformerCoupledPlasma 40 Dry Etcher 450E ?Antenna 41 Dry Etcher 450E ? ? P P- -ChuckChuck 42 Dry Etcher 450E ? ? P P- -ChuckChuck： Helium Back Side CoolingHelium Back Side Cooling He Gas Plasma Heating Cooling Stage Plasma Heating Cooling Stage Glass Resist Damage (PR Burning) Resist No Damage Electrostatic Chuck Glass 43 Dry Etcher HAI ?CapacitiveCouplingPlasma 44 Dry Etcher HAI 45 Dry Etcher HAI 46 Dry Etcher HAI ?Piano Reactor 47 InductiveCoupledPlasmaand Microwave 48 Contents ?Etching Introduction ?Dry Etching Process ?Wet Etching Process ?Cleaning Process Introduction ?Summary ?Wet Etching Process 49 Wet Etching Principle： 濕式蝕刻製程進行程序： (1)反應物利用擴散原理透過 邊界層到達薄膜表面。 (2)反應物將與薄膜表面的分子產 生化學反應，並生成各種生成 物。 (3)薄膜表面的生成物，也利用 擴散效應而通過邊界層到 溶液裡，而後隨著溶液排出。 利用薄膜與特定溶液間所進 行的化學反應，來去除未被光 阻覆蓋的薄膜。 50 薄膜一般可分為以下幾大類，包括金屬 層、非金屬層及絕緣層，這些材料大部分皆 可適用於乾式及濕式蝕刻，除非是一些薄膜 只能特定用於乾式或濕式蝕刻。 一般來說不論是乾式或濕式蝕刻皆會以下列幾項結果來考量： a. Etch Rate：蝕刻率；表示單位時間內蝕刻之速度 b. Uniformity：均勻度；蝕刻後薄膜表面之均勻程度 c. Repeatability：再現性；機台蝕刻穩定度 d. CD Loss：關鍵尺寸偏移；蝕刻後，線寬變化量 e. Selectivity to Under Layer：對下層之選擇比；選擇比愈大愈好 f. Profile Control：輪廓控制 g. Multi Layer Etch：多層蝕刻 What are the concerns for Wet etching？ 51 Wet Etch Parameters 控制濕式蝕刻反應的主要參數有： (1) 蝕刻時間：浸泡在蝕刻液中時間愈久，蝕刻量愈大。 (2) 溶液濃度：濃度愈高，蝕刻速率愈快。 (3) 反應溫度：溫度愈高，蝕刻愈快。 (4) 攪拌：玻璃基板或基板進行蝕刻中，若輔以N2Bubble、Ultrasonic 等，其蝕刻速度亦相對提高。 ?濕式蝕刻屬於等向性蝕刻，此類型 蝕刻是利用溶液與薄膜經反應所產生的氣 態或液態的生成物來執行薄膜分子的移 除。因此濕式蝕刻的進行是沒有固定方向 的，所以常會造成光阻底下的部分薄膜被 侵蝕，亦稱為底切現象 （Undercut）。 52 濕式蝕刻反應參數對底切現象的影響 ?(1) 蝕刻液濃度愈高或溫度愈高，其薄膜被移除的速率也 就愈快，所需之蝕刻時間也相對減少；但太高的蝕刻率往 往會造成嚴重的底切現象。 改善方式： 於機台內利用氣泡或超音波震盪等 功能，也可以適度的減輕底切現象的發生。 ?(2) 適當的攪拌，將使溶液內的反應物 往薄膜表面所進行的質量傳遞 （Mass Transfer），不再完全依賴 擴散，而可以藉著攪拌所產生的 對流來減少邊界層的厚度，以提升 反應物輸往薄膜表面的能力。 53 濕式蝕刻製程類型 (1) Oxide Etching： a. 蝕刻對象：絕緣層，例如：二氧化矽（SiO2） b. 蝕刻液： BOE； 為氫氟酸*（HF）及氟化氨*（NH4F）的混合溶 液。 氫氟酸是主要蝕刻成分。 氟化氨是作為氫氟酸的緩衝劑，以補充氟 離子在溶液中因蝕刻反應的消耗。 54 a) 利用 HNO3將Al氧化，再利用CH3COOH將Al軟化、分解，最後再 以H3PO4進行蝕刻 b) 優點：具等向性蝕刻之特性，並可避免蝕刻過程中發生電化學效 應。 c) 缺點：HNO3會將部分光阻拔起，且廢液處理不易。 (2) Metal Etching： a. 蝕刻對象：金屬層，例如：Al * 、ITO * 。 b. 蝕刻液：鋁酸（PAE）、草酸（H2C2O4） 等。 Al蝕刻：大多使用鋁酸，其成分為磷酸、醋酸、硝 酸的混合液。一般成分比例為： H3PO4：CH3COOH：HNO3：H2O 72% ： 15% ： 8% ： 5% 55 ITO蝕刻：大多利用草酸或王水進行蝕刻，但蝕刻較 不易控制。且ITO層在濕式蝕刻中，會有以下幾點缺 點： a) 溶液或廢水處理不易 b) ITO殘留問題 c) 利用王水進行蝕刻可能會造成金屬Damaged d) 較不易於定義良好的Profile 56 有機溶劑（非水溶液）去光阻： a) 是利用Dissolve Like原理或者化學反應使產物溶解於有機溶液中，如 Acetone、Phenol Group之類。 b) 缺點：使用之有機溶劑易燃而有火災之疑慮，需要較完善之消防設 施。 無機溶劑（大部分為水溶液）去光阻: a) 屬於較強制性之結構破壞。 b) 因為光阻本身也是碳氫為主之有機化合物，可以利用雙氧水將 光阻內的碳元素氧化為CO2；再利用硫酸（H2SO4）進行去水， 如此便可將光阻去除，此反應較易Attack Metal因此需小心控制。 (3) PR Remove： a. 蝕刻對象：光阻；目前仍為IC或TFT濕式去光阻 製程之主流。 b. 蝕刻液：有機溶劑*或無機溶劑*。 57 a. Ion shower 製程完成後，光阻會有無法去除的問題，尤其是 在高劑量及長時間的製程後。 b. 乾蝕刻製程如果蝕刻時間過久，也會有光阻去除的問題。 c. 濕蝕刻時，因為光阻直接接觸有機化學品的關係，有可能起 反應使光阻無法去除。 d. 去除難去的光阻層時，會先做光阻乾蝕刻（Slice Ashing）， 其目的是利用乾蝕刻將光阻層表面最難去除的部分蝕刻掉， 之後再用濕蝕刻去除殘餘的光阻。 PR Removal Issue 58 造成濕式蝕刻失敗之原因 微泡沫 ?製程機台為避免水中的Particle造成蝕刻失 敗的Issue，因此會於供應端或設備端加裝 Filter以過濾液體中的微粒。但液體中微粒過 多時，則會造成無法分辨泡沫或微粒的問 題，以導致流量不足或形成基板缺點。微泡 沫便是主要原因之一。 59 微泡沫之生成主因為： (1) 化學液本身：如SC1（NH4OHH2O2 DIW）、SC2 （HClH2O2 DIW）、氧化物蝕刻劑（HF、BOE）等。 (2) 高溫製程：如H2SO4等因溫度升高而使得氣體溶解度降低而 形成泡沫溢出。 (3) 壓差：當壓力變化由高壓到低壓時，極易有泡沫產生。 (4) 死角：空氣或化學液本身所分解的氣體易累積於機台或 Chamber內的死角。 60 Contents ?Etching Introduction ?Dry Etching Process ?Wet Etching Process ?Cleaning Process Introduction ?Summary ?Cleaning Process Introduction 61 What Is The Meaning of Cleaning Substrate Clean-process Environment Clean Method ParticleRemove ParticleAvoid Particle Sticking ?適量的DIW與Chemical配比可對玻璃表 面進行Cleaning；但是，當化學品部分濃 度提高時，則可對薄膜進行蝕刻反應。 62 a. SC1：NH4OH+H2O2+H2O，用於去除一般的 Particle。 b. SC2：HCl+H2O2+H2O，用於去除金屬Particle。 c. SPM：H2SO4+H2O2，用於去除Organic Particle。 一般SC1、SC2在清除的過程均以H2O2於玻璃表面形 成氧化膜，再以化學溶劑予以清除。而SPM甚至是現今所 採用之SOM（H2SO4+O3），均屬高溫製程，雖然具有 Clean的效果，但因H2SO4的高腐蝕性，往往會造成Under layer damaged。 有鑑於上述Cleaning製程會排放高污染之廢水，近來 開發之DI O3可將有機物分解形成CO2及H2O，其對環境影 響亦相對減小。 63 InfluenceType Particulate Metal Particle Organic Particle Roughness Native Oxide Gate-oxide Breakdown Voltage, Reliable Gate-oxide Breakdown Voltage, Reliable Gate-oxide Quality Gate-oxide Breakdown Voltage, Mobility Gate-oxide Quality, Contact Resistant What Effects Device 64 SourceType Particulate Metal Particle Organic Particle Roughness Native Oxide Equipment, Environment, Chemical Equipment, Chemical, Water, Process Photoresist Residule, Chemical Process Chemical Chemical, Environment, Water Source of Unwanted Substance 65 Wet Cleaning Steps ChemicalRemoveStep APM (SC1) HPM (SC2) DHF SPM SOM DI O3 NH4OH/H2O2/H2O HCl/H2O2/H2O HF/H2O H2SO4/H2O2 H2SO4/O3 O3/H2O Particulates & Organic & Metal Metal Native Oxide & Metal Organic & Metal Organic & Metal Organic & Metal APM: Ammonium Hydroxide/Hydrogen Peroxide/Mixed Water HPM: Hydrochloric Acid/Hydrogen Peroxide/Mixed Water SPM: Sulfuric Acid/Hydrogen Peroxide/Mixed SOM: Sulfuric Acid/Ozone/Mixed 66 Traditional RCA-clean Flowchart 12 3 45 67 Particulate Removal Discussion ?Removal Mechanism - Oxidization, Etching, Lift-off ?Solutions - APM (NH4OH/H2O2/H2O) ?Avoid Adhesion -High PH, Zeta Potential Both Negative, Repulsive Force Between Particulate/Glass ?Assistant Removal - Brush Scruber, Megasonics 68 Organic Particle Removal Discussion ?Solutions - SPM (H2SO4/H2O2) - SOM (H2SO4/O3) - DIO3(O3/H2O) - APM (NH4OH/H2O2/H2O) ?Removal Mechanism - Oxidize Organic ?Characteristics - DI O3, The Best Way to Remove Organic 69 Metal Particle Removal Discussion ?Solutions - HPM (HCl/H2O2/H2O) - APM (NH4OH/H2O2/H2O) - DIO3(O3/H2O) ?Removal Mechanism -Metal Ion, Accept Anion, Compound, Soluble in Water 70 Native Oxide Removal Discussion ?Solutions - DHF (HF/H2O) - BHF (HF/NH4OH/H2O) - BOE (HF/NH4F/H2O) ?Removal Mechanism - Dip. Etching ?Characteristics - Hydrophilic ? Hydrophobic 71 After Wet-clean Dryer Technology (a) ?Central-force Dryer -Remain Watermark ?N2 Purge -Avoid Watermark -Increase Residual Stress on Glass -Produce Static Electricity -Nozzle Design in Bench & Conveyer -Not the Best Way for Drying 72 After Wet-clean Dryer Technology (b) ?IPA Vaporizer Dryer -Need High Temp. & Pressure Process ?Marangoni Dryer -Chemical Consumption -Environmental Consideration 73 IPA Vaporizer Dryer substrate DI IPA liquid layer IPA vapor Mechanism 74 After Wet-clean Dryer