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《電子與封裝雜志》2016年第9期

摘要：

評估了使用深反應離子刻蝕工藝來進行晶圓的切割，用于替代傳統的刀片機械切割方式。結果表明，使用深反應離子刻蝕工藝，晶圓劃片道內的硅通過等離子化學反應生成氣態副產物被去除，從而避免了芯片側面的機械損傷。切割后整個晶圓沒有出現顆粒沾污，芯片邊緣沒有崩角以及開裂等損傷。該工藝還可以適用于更窄的劃片道切割要求。

關鍵詞：

深反應離子刻蝕；刀片機械切割；崩角；開裂

1引言

半導體行業一直使用刀片機械切割晶圓的方式，將芯片分離成單獨的顆粒，這是目前業界的主流工藝。刀片切割過程中會產生碎屑，芯片側壁受機械損傷會出現崩角以及開裂，影響到芯片的有效區域，造成電性能失效。硅的裂紋會出現延伸或傳播，影響芯片的可靠性以及使用壽命。伴隨著半導體工業的發展，晶圓劃片道寬度越來越窄。通常劃片道寬度在60μm以下時，刀片機械切割將出現工藝瓶頸，主要受限于刀片本身寬度。腐蝕技術分為干法腐蝕和濕法腐蝕。腐蝕具有各向同性腐蝕與各向異性腐蝕之分，還有選擇性腐蝕與非選擇性腐蝕之分。濕法腐蝕工藝技術是化合物半導體器件制作中一種重要的工藝技術；它是在具有高選擇比掩蔽膜的保護下對介質膜或半導體材料進行腐蝕而得到所需圖案的一種技術。濕法腐蝕是一種化學腐蝕方法，主要針對InP、GaAs基化合物半導體材料及SiO2的腐蝕。從圖1可以看出，濕法腐蝕各向同性，其腐蝕偏差較大，腐蝕圖形不可控，無法滿足半導體芯片切割的要求。在濕法腐蝕中,抗蝕劑與襯底交界面有腐蝕劑滲入的問題。為了抑制腐蝕液的滲入，顯影后需要烙烘進行堅膜，由此常常引起抗蝕劑圖形的變形，不利于微細加工[1]。干法刻蝕是在真空狀態下通入一定量的反應氣體，在射頻電場作用下輝光放電，形成等離子體。等離子體中含有離子、電子及游離基等，可與被刻蝕晶圓表面的原子發生化學反應，形成揮發性物質，達到刻蝕樣品表層的目的。同時，高能離子在一定的工作壓力下，射向樣品表面，進行物理轟擊和刻蝕，使得反應離子刻蝕具有很好的各向異性，從而得到所需要的器件外形結構[2]。從圖2可以看出，干法刻蝕由于各向異性，腐蝕偏差小，腐蝕圖形可控，精度高,公害少,工藝清潔度高，對環境污染小。因此，在半導體制造中，干法刻蝕越來越成為用來去除表面材料的主要刻蝕方法。干法刻蝕的各向異性可以實現細微圖形的加工，滿足越來越小的尺寸要求，已取代濕法刻蝕成為最主要的刻蝕方式[3]。目前干法刻蝕技術有離子刻蝕、等離子刻蝕、反應離子刻蝕、深度反應離子刻蝕幾種類型，這幾種刻蝕方法適用于不同的被刻蝕材料。其中，深反應離子刻蝕主要應用在去除硅的場合，在刻蝕SiO2時，DRIE的刻蝕速度更快。其刻蝕剖面各向異性，即刻蝕只在垂直于晶圓表面的方向進行，只有很少的橫向刻蝕，可以獲得90°±1°垂直度的側壁，用于創建深溝或高縱深比結構。其刻蝕的各向異性可以實現細小圖形的轉換，滿足較小尺寸的要求。深反應離子刻蝕因其具有較高的刻蝕速率、良好的方向性和選擇性而在各種各樣的硅基微系統制造中得到大量的應用，不但廣泛地應用在微電子領域，而且是集成光學器件及微光機電器件加工的重要手段[4，7]。

2深度反應離子刻蝕的基本原理

深度反應離子刻蝕也叫高密度等離子刻蝕或感應耦合等離子刻蝕，是一種采用化學反應和物理離子轟擊去除晶圓表面材料的技術[5]。它將等離子的產生和自偏壓的產生分別用兩個獨立的射頻電源進行，有效避免了反應離子刻蝕中射頻功率和等離子密度之間的矛盾。為實現刻蝕基進入高深寬比圖形并使刻蝕生產物從高深寬比圖形中出來，必須降低刻蝕系統的工作壓力，以增加氣體分子和離子的平均自由程。為避免因此導致的離子濃度變低而影響刻蝕速率，使用電感耦合等離子體產生高密度等離子[6]。圖3是電感耦合等離子刻蝕設備工藝腔簡圖。上電極由一個13.56MHz的射頻電源通過匹配器接入線圈用于電離氣體產生高密度等離子體，下電極由一個400kHz/13.56MHz的射頻電源通過匹配器接入靜電吸盤，在腔內產生自偏壓。深度反應離子刻蝕采用刻蝕和鈍化交替進行的博世工藝以實現對側壁的保護，形成近90°的垂直側壁[7~8]。原理如下。通入C4F8氣體電離，并發生聚合反應在溝槽側壁以及底部沉積形成鈍化層，由于自由基是中性，不受暗區電場的加速，沒有方向性，所以沉積的Polymer在溝槽底部以及側壁都是均勻的。參見圖4。通入SF6氣體電離，產生SxFy離子和F的活性自由基，SxFy離子在暗區電場作用下加速轟擊溝槽底部與側壁的鈍化層，于是鈍化層被刻蝕。參見圖5。由于暗區電場的加速作用，離子在垂直方向比在水平方向的轟擊占優，溝槽底部鈍化層比側壁鈍化層先一步被刻蝕清除，這時F的活性自由基與溝槽底部露出的硅反應產生SiF4氣體被泵抽走(如圖7)，實現對溝槽底部的刻蝕，直至側壁鈍化層也被刻蝕完畢再開始新的循環。從圖6看出，由于暗區電場的作用，溝槽側壁是最后被刻蝕完成的，故對側壁起到了很好的保護作用，因此，縱向刻蝕距離大于橫向刻蝕距離。相關化學反應的方程式如下：（1）各向同性Polymer沉積C4F8CFn（2）各向異性硅刻蝕+各向異性轟擊SF6+eSF5++F(游離基)+2eF+Si→SiF4(g)對于晶圓的切割來說，各向異性刻蝕的刻蝕速率快，能形成高縱深比的結構和精確的三維結構，沒有負效應，能通過合理改變工藝參數滿足特定應用的顯微結構要求，使得深度反應離子刻蝕成為一個商業上可行的技術[9]。

3試驗準備

晶圓在使用深度反應離子刻蝕工藝進行劃片的工藝流程見圖8~13。硅刻蝕使用深反應離子刻蝕工藝將硅刻穿，完成芯片的切割。把晶圓背面貼上劃片膜，釋放玻璃片，從而便于后續的編帶，見圖13。刻蝕后的晶圓如圖14所示。干法刻蝕設備為SPPMUC21刻蝕機。該設備為ICP高密度等離子刻蝕機，刻蝕深度片內/片間均勻性誤差≤5%，刻蝕角度90±1°。

4樣品檢驗

4.1測量設備

測量設備為奧林巴斯光學顯微鏡和日立掃描電鏡。

4.2檢驗結果

（1）等離子刻蝕后晶圓表面沒有任何碎屑、沾污開裂等問題，見圖15。

（2）等離子刻蝕后晶圓劃片道內沒有任何殘留以及沾污，刻蝕前光刻開口22±1μm，刻蝕后劃片道開口滿足22±3μm。見圖16。

（3）等離子刻蝕后取芯片做SEM，觀察芯片側壁，沒有崩角或者開裂。見圖17。

（4）樣品良品率大于98%。

5結論

通過大量實驗，確定深反應離子刻蝕能用于硅片的切割；切割效果可以滿足規范要求。通過優化工藝流程、刻蝕速率和劃片槽開口大小，可以獲得理想的切割剖面，以確保深度反應離子切割是可以接受的。

參考文獻：

[1]孫靜，康琳，等.反應離子刻蝕與離子刻蝕方法的研究與比較[J].低溫物理學報，2006，28（3）.

[2]茍君，吳志明，太惠玲，袁凱.氮化硅的反應離子刻蝕研究[J].電子器件，2009，32（5）.

[3]茍君，吳志明，太惠玲，袁凱.氮化硅的反應離子刻蝕研究[J].電子器件，2009，32（5）.

[4]葛益嫻，王鳴，戎華.硅的反應離子刻蝕王藝參數研究[J].南京師范大學學報(工程技術版)，2006，6（3）.

[5]茍君，吳志明，太惠玲，袁凱.氮化硅的反應離子刻蝕研究[J].電子器件，2009，32（5）.

[6]半導體制造技術[M].喬大勇，謝建兵，馬志波.微機電系統制程（西北工業大學）第八講：干法刻蝕.

作者:劉學勤 董安平 單位:上海交通大學材料科學與工程學院