The Bosch process (一)

1993年，Robert Bosch提出了一種ICP刻蝕工藝技術，被稱作“Bosch 工藝”。該刻蝕技術目前受到專利保護，一旦設備生產廠家想制造深硅刻蝕的設備，需要對Robert Bosch GmbH 公司支付一次性的專利費才可以永久使用該技術。

一、原理

    該工藝使用氟基化學等離子體來蝕刻硅，結合氟碳等離子體工藝來提供側壁鈍化和提高對掩膜材料的選擇性。在完整蝕刻過程中，實現深、垂直的刻蝕輪廓需要蝕刻和沉積步驟之間需要循環多次。它依賴于源氣體在到達晶圓之前在高密度等離子體區域中被分解，而等離子體產生的電壓降需要很小并且可控。六氟化硫(SF₆)為硅蝕刻提供了氟的源氣體，其很容易在高密度等離子體中分解，釋放出氟自由基。側壁鈍化和掩膜材料保護是由一種環氟化碳化合物八氟環丁烷(c-C₄F₈)提供的。在高密度等離子體中,其破裂產生CF₂和更長的鏈自由基，這些氟碳聚合物很容易沉積在被蝕刻的樣品上，從而形成整個Wafer的表面保護。整個刻蝕過程通過調整蝕刻步驟效率、沉積步驟效率或兩步的次數比（相對比）來控制刻蝕材料的輪廓、蝕刻速率和掩膜材料的選擇性，整個過程如圖1所示。

圖片1

另外有兩個工藝原理需要注意：

1） 這種技術不能在反應離子蝕刻系統(RIE)中進行，因為這些系統的離子與自由基的平衡不能滿足需求。這種平衡性需要在高密度等離子體系統(HDP)中才能實現。目前，最廣泛使用的HDP形式使用電感耦合來產生高密度等離子體，因此被稱為“電感耦合等離子體”(ICP)。

2）該工藝對光刻膠的刻蝕速率相對較慢，在某種程度上，它甚至不需要在蝕刻之前對光刻膠進行硬烘烤。事實上，最好避免高溫烘烤光刻膠，因為這會導致光刻膠輪廓的變化，導致某些結構的掩膜變形，從而影響刻蝕效果。為了保證刻蝕效果，當刻蝕深度相對較低的時候，工藝人員甚至可以光刻后不堅膜直接進行刻蝕。

二、設備結構及要求

  由于Bosch工藝的過程中會涉及兩種氣體，為了控制氣體轉換的效率及刻蝕的效果，其對于設備具有一定的要求。目前已經有一些設備可以運行Bosch工藝，可以以牛津儀器（等離子體應用技術實驗室）的設備為例，其結構如圖2所示。

圖2 

 Bosch工藝對于設備的特殊要求可以參考下面幾個參數：

1）快速的抽氣速度。為了達到高蝕刻率，必須使用高流量的工藝氣體。而只能通過使用高效泵送在所需壓力下實現。一般來說，通常選擇比腔室尺寸/壓力所需更大容量的渦輪分子泵。

2）快速響應的質量流量控制器。用于該工藝的質量流量控制器應超過SEMI標準E17-91，該標準規定在設定點的2%范圍內，響應時間應在1.0秒內。這一點很重要，因為每一步的時間可以短到3秒。

3）晶圓片與ICP區域之間的距離最小為100mm。目的是降低離子與自由基的比例，因為自由基比離子有更長的衰變時間。在刻蝕過程中，這兩種離子都是需要的，一般過多的離子會導致輪廓問題，更多的自由基只會增加硅的蝕刻速度。

4）電感耦合功率在ICP區域。目的是使等離子體在ICP區域內具有更好的均勻性。電感耦合會在線圈的驅動和接地部分之間變化，導致離子密度的差異。這種離子密度的變化將影響刻蝕的面內均勻性。并且，如果對ICP管材料有攻擊的話，可能導致污染效應(如“黑硅”)。

5）側壁、蓋子和泵管需要加熱。目的是減少氟碳聚合物沉積在可能脫落的區域，作為顆粒落在晶圓上。并且，泵管加熱會最大限度地減少硫化合物在泵管和渦輪泵上的沉積，但是可能會導致可靠性和維護問題。

6）相對短的質量流量控制器和工藝室之間的氣體管路。在質量流量控制器打開和氣體到達腔體之間會有一段時間延遲。保持短的混合氣體管線將最小化這種延遲，允許更短的步進時間。

7）良好的腔室的材料。目前，石英的ICP管取得了相對較好的結果，但是它的缺點是會被氟刻蝕。氧化鋁是一種廣泛使用的替代材料，但是仍需要調節才能達到良好的效果。調節過程可以以如下步驟運行：在裸露的硅片上運行整個刻蝕過程，剛開始時，刻蝕結果可能是黑色或者是模糊（霧狀）；隨著刻蝕的優化及時間增加，刻蝕的硅片表面會是光滑的，說明已經達到的良好的效果。