面板制程刻蚀工艺基本原理及良率剖析-温湿度显示屏-12864显示模块
2020-05-07

干法刻蚀设备的概述
刻蚀是用化学或物理的方法有选择地从基材表面去除不需要的材料的过程,其中干法刻蚀(Dry Etching)具有很好的各向异性刻蚀和线宽控制,在微电子技术中得到广泛的应用。
在TFT-LCD制造过程中,Island,Channel和Contact的刻蚀一般使用的是干法刻蚀中RIE模式(Reactive Ion Etching Mode),下图是TEL(Tokyo Electron Limited)生产的干刻机的简单示意图。温湿度显示屏定制
其设备的主体是工艺腔室(Process Chamber),其他的辅助设备有产生工艺必需的真空之真空泵(Pump),调节极板和腔体的温度之调节器(Chiller),判断刻蚀终点之终点检测器(EPD, End-point Detector),处理排出废气的尾气处理装置(Scrubber),以及搬运玻璃基板的搬送装置(比如马达,机械手)。
下面的内容将对其中工艺腔室、真空泵、温度调节器和终点检测器进行介绍,以期对干法刻蚀设备的构成和主要性能指标有一个基本的了解。温湿度显示屏定制

干刻机台的概貌
其中P/C: Process chamber; T/C: Transfer chamber; L/L: Load lock; S/R: Sender/receiver, A/A: Atmospheric Arm

玻璃基板在干刻机台中的基本流程
干法刻蚀工艺流程
玻璃基板的基本流程:玻璃基板(Glass Panel)先存放在S/R中,通过机械手经由A/A传送到L/L,然后到T/C,接着基板被分配到各个P/C中去进行等离子体刻蚀处理。在刻蚀过程中由EPD装置确定刻蚀的终点,如果达到刻蚀终点,则停止刻蚀,基板经由原来的路径传送到设备外进行下一段工序。
设备的主要的组成部分
玻璃基板在干刻工序的整个流程中,处于工艺腔(P/C)才是真正进行刻蚀,其他的动作只是基板从设备外大气状态下传送到工艺腔(真空状态)以及刻蚀前后进行的一些辅助程序。温湿度显示屏定制
所以整个干法刻蚀设备的核心部分是工艺腔。基板置于工艺腔后,刻蚀气体由MFC控制供给到工艺腔内,利用RF发生器产生等离子体,等离子体中的阳离子和自由基对需要刻蚀的薄膜进行物理和化学的反应,膜的表面被刻蚀,得到所需的图形,挥发性的生成物通过管道由真空系统抽走。
整个刻蚀过程就是这样的。

工艺腔(Process Chamber)的示意图
MFC: Mass Flow Controller, 质量流量控制器;CM: Capacitance Manometer, 电容式压力计;
APC: Adaptive Pressure Controller, 压力调节器;TMP: Turbo Molecular Pump, 涡轮分子泵
通过控制压力,RF功率,气体流量,温度等条件使得等离子体刻蚀能顺利进行。
质量流量控制器
控制工艺气体流量的设备单元。MFC利用气体的热传输特性(物体吸收或放出的热量与其质量、比热、温度差相关,对于特定物质,其比热一定),测量进入工艺腔的质量流量速率。温湿度显示屏定制
MFC主要由加热传感线圈,测量控制电路,控制阀构成。当气体流过时,热敏线圈由于温度变化导致的阻值变化可以转变为电信号,电信号在测量控制电路中反映的是流过MFC的气体质量流量,进而控制阀的闭合程度达到控制工艺气体质量流量的目的。
气体质量流量,实质上应该用质量单位来表示,但在习惯上是用标准状态(0℃,一个标准大气压)下的气体体积流量来表示(sccm, standard cubic centimeter per minute,标准立方厘米每分钟)。

MFC(质量流量器)的示意图
RF发生器及匹配网络电路
RF发生器从水晶振荡器发出13.56MHz、5mW的波形,通过多段增幅器后增幅至数千瓦,然后通过同轴电缆传输到匹配网络盒中进行匹配控制,将RF的功率传输到工艺腔的等离子体。

RF发生器的示意图以及在不同位置的波形
匹配网络盒和匹配控制器相结合将反射波(电容耦合放电功率)控制到最小,使得RF功率的最大部分在工艺腔内等离子体中消耗。
匹配网络电路执行以下的两项内容:
1、消除电抗成分。也就是使电流和电压的相位合到一起,这样工艺腔内就能产生有效的功率。这是由图中的Cs(match)电容器自动调节。温湿度显示屏定制
2 、取得阻抗匹配。通常是将RF发生器的负载阻抗调整为50欧姆,这可以将最大的功率传送到工艺腔内而不是消耗在RF电源内部。这是由图中的Cp(tune)自动调节。

匹配网络电路示意图
EPD,终点检测器
相对湿法刻蚀,干法刻蚀对下层薄膜没有很好的刻蚀选择比。由于这个原因,EPD(终点检测器)被要求用于监控刻蚀工艺和停止刻蚀(图3-7)。终点检测有很多方式,其中使用最常用的是发射光谱方法。

等离子刻蚀终点检测
等离子体中处于激发态的原子或分子基团会发出特定波长的光,并且光的强度与激发原子和基团的浓度相关。
EPD通过探测反应物或生成物发出的某种特定波长的光的强度,可以得到等离子体刻蚀进行的即时信息。这种方法具有高的灵敏度。我们采用的EPD其基本结构示意图如下:

EPD基本结构示意图
CCD: Charge-Coupled Device, MCA: Multi-Channel Analyzer
等离子体发出的光经CCD接受后将各种光波转化为电学信号输入MCA中,由计算机端控制进行选择需要检测的波长。对所选波长的光波的强度进检测得到刻蚀的终点,进而对刻蚀工艺进行控制。温湿度显示屏定制
Chiller,温度调节系统
等离子刻蚀工艺对温度的要求很高。等离子体放电过程中会产生热量,这会使得上下电极以及墙壁温度升高。所以上下电极以及工艺腔壁需要进行温度控制,并且电极和腔壁的温度要求不一样,一台Chiller要对一个工艺腔的三个地方进行独立调节。

温度调节器的示意图
下电极(放置玻璃基板)的温度调节范围为20-50℃,上电极为20-90℃,腔壁的温度调节范围为20-60℃。用于循环的冷却剂采用的是Galden液,这种液体绝缘,并具有很好的稳定性。总个温度控制由系统内的温度传感器、电路和控制器调节完成。
压力调节和真空系统
压力无疑也是工艺中的一个重要参数,它主要由真空泵,APC,真空计等真空设备进行控制。温湿度显示屏定制
干法刻蚀设备的主要性能指标
干法刻蚀设备的功能是在薄膜上准确复制特征图形,从生产产品的角度讲可以归于两方面:产量和良率。具体到设备上就对其性能指标提出一些要求。
简单的讲,产量,对应的是干法刻蚀设备的刻蚀速率和机台的稼动力;良率,对应的是干法刻蚀的刻蚀均匀性、刻蚀选择性、损伤和污染。
刻蚀速率和稼动力
Etching Materials
Etching Rate
a-Si
2000Å/min
n+ a-Si
1000Å/min
SiNx
3000Å/min
上表给出的是干法刻蚀工艺中需刻蚀的材料及其刻蚀速率。但这只是单纯的指膜材料刻蚀的速率,并且这个数值可以通过修改工艺参数进行调节。实际上,刻蚀前的准备(上下物料,抽真空等等)和刻蚀后的处理都要占用时间而影响产量。所以在工艺过程中,真空设备的抽气时间、吹扫时间,物料的传送等等动作都是需要考量的。另,TEL机台的刻蚀稼动力为85%。温湿度显示屏定制
良率相关的参数
刻蚀均匀性
Area
Guaranteed Value
Within sheet
< 10%
Sheet to sheet
< 5%
Chamber to chamber
< 5%
刻蚀选择性
Materials
Selectivity
a-Si/SiNx
> 4
SiNx/Mo
> 10
颗粒污染
Particle Size
Amount
> 1µm
< 300
> 3µm
< 50
上面三个表给出了干法刻蚀机台的刻蚀均匀性、选择性和污染的性能指标。刻蚀均匀性的计算是在基板上选取13个点,测量数值,然后由 (max-min)/(max+min)*100这个公式得到。在工艺中,等离子体的刻蚀辐射损伤对器件的影响不是很明显,所以我们没有去考量。温湿度显示屏定制
Dry Etching的主要工艺参数和工艺质量评价
干法刻蚀具有一些重要参数:刻蚀速率、刻蚀偏差、选择比、均匀性、刻蚀残留物、Taper Angle和颗粒污染,这些都是与刻蚀质量评价相关的参数。
在工艺进行过程中,可以调节的工艺参数有:RF的功率、工艺压力、气体流量等等。
RF功率,即RF对工艺腔体等离子体输入的功率。它对等离子体中离子的能量、直流偏压、刻蚀速率、选择比和物理刻蚀的程度都有影响。其影响的趋势见下表。
RF功率对其他刻蚀参数的影响
RF功率
离子能量
直流偏压
刻蚀速率
选择比
物理刻蚀












工艺压力,工艺腔内如果压力越小,则气体分子的密度越小,那么等离子体的物理刻蚀就越强,相比而言,其刻蚀选择比越小。
气体流量,一般而言,气体流量越大,意味着单位时间内工艺腔中参与刻蚀的刻蚀剂越多,那么刻蚀的速率越大。
刻蚀速率,是指在刻蚀过程中去除被刻蚀材料膜层的速度,通常用Å/min表示。温湿度显示屏定制
刻蚀窗口的深度称为台阶高度,可以由段差计(Profiler)测得。为了得到高的产量,就希望有高的刻蚀速率。

刻蚀速率。刻蚀速率 = ΔT/t (Å/min), t 是刻蚀时间
刻蚀偏差,刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸间距的变化。
在湿法刻蚀中,横向钻蚀是造成刻蚀偏差的原因;干法刻蚀中,刻蚀偏差的出现是因为光刻胶被刻蚀,使得线宽变窄。
刻蚀偏差在TFT-LCD工艺中并不完全当成一种缺陷来处理,首先,TFT-LCD的线宽比较宽(3-5µm),刻蚀损失给TFT器件性能带来的影响并不是特别明显;
其次,光刻胶的刻蚀,刻蚀的偏差被利用来形成Taper Angle,而好的Taper Angle是我们所期望的。温湿度显示屏定制

刻蚀偏差,刻蚀偏差 = Wb-Wa
选择比,是指在同一刻蚀条件下一种材料与另一种材料相比刻蚀速率的比值。
需要注意的是在干法刻蚀中,由于存在强烈的物理刻蚀,所以选择比不如湿法刻蚀那么高。温湿度显示屏定制
我们要求达到的选择比一般为a-Si/SiNx >4,SiNx/Mo >10。
刻蚀均匀性,均匀性是衡量刻蚀工艺在整块基板,基板之间,或者整个批次之间刻蚀能力的参数。我们测量基板的一般方法是在玻璃基板上选取13个测量点,由公式(Max - Min)/(Max + Min)*100得到(单位,%)。
在TFT-LCD工艺中,并不能保证刻蚀的完全均匀,所以为了解决刻蚀结束后还存在刻蚀残留的问题,一般都采取稍微过刻蚀的办法。

均匀性测量点选取的位置
残留物,刻蚀残留物是指刻蚀后留在基板表面不想要的材料,它常常覆盖在工艺腔体内壁或被刻蚀图形的底部。
其产生的原因很多,例如被刻蚀层中的污染物,选择了不合适的刻蚀剂(比如在PI返工的过程中,如果采用SF6作为刻蚀气体,腔体和管道内容易形成残留的聚合物)。
在进行一定时间的生产后,必须对机台腔体进行PM(Preventive Maintenance),就是为了清除腔体内的残留物。
Particles污染,Particles污染一直都是TFT-LCD工艺中的重要问题,它是良率的最大敌人。
Particle产生的原因很多,有些是在进入腔体前就存在,有些是在腔体内产生沾附的,有些是在刻蚀的过程中等离子体放电时产生的,不一而足。
Particle控制和污染的解决是工程师们一个需要长期奋斗的课题。下图是一个由Particle产生缺陷的示意说明。温湿度显示屏定制

刻蚀中Particle产生的缺陷
这使得刻蚀不完全,如果是在Contact刻蚀位置,很可能形成一个断路缺陷。
Taper Angle,Taper角指刻蚀后侧壁的角度。好的Taper角有利于在刻蚀工序后成膜触,可以很好地控制断线等缺陷。

不同的Taper角下形成的膜
左边的膜侧壁很薄,容易断裂而形成断线等缺陷。温湿度显示屏定制
在RIE模式中,是利用PR(Photoresist)后退法形成Taper角。PR在刻蚀的过程中逐渐损失,膜的侧壁的坡度慢慢形成。Taper角的大小是由PR和膜的刻蚀速率比决定。

PR后退法形成Taper Angle
(a)显影,(b)后烘,(c)和(d)刻蚀过程中,(e)刻蚀完成后Taper Angle形成。
以上是干法刻蚀中的一些重要参数和概念。
工艺质量评介也是由这些参数加以判断。好的工艺条件和所有设备系统正常的正常运行是高的产量和良率的必要条件。工程师的工作就是使得所有设备维持正常的运行并且发挥其最好的效能,调试出最合适的工艺条件使得良率和产能得到提高。

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