Etching process characterization 

1. Initial mask check 

a. Good understanding of etch process starts with understanding the initial mask profile, 

be it photoresist or hard mask. Important parameters of the mask are thickness and 

sidewall angle. If possible, perform SEM inspections of cross sections to characterize 

sidewall angle at different feature sizes that are applicable to your etch step. For large 

features and non‐critical etches, only mask thickness may be necessary to measure. 

b. Check to see if descum is required for your resist mask. In general, descum will make the 

etch step much more consistent from run to run by removing organic residue left by 

development step. In some cases, this residue remains regardless of exposure and 

development times, and the descum step is a required step for the etch to work at all. 

An example of AZ resist on SiO2 is below:   

  

c. To measure mask thickness, you can use cross sectional SEMs and supplemental 

software. In addition, for transparent films, such as photoresist and dielectrics, you can 

use either a reflectormeter or ellipsometer tool as applicable. The initial thickness of the 

mask is important because of an etch process result called selectivity, defined as the 

etch rate of your material to the etch rate of the mask. If the selectivity for your 

selected process is poor, you will not be able to etch very deep into your material, or 

you may need a much thicker mask. At the other spectrum, selectivity for some 

processes, such as deep silicon etch, can be extremely high to a properly selected mask, 

in excess of 100 to 1.  

 

Top left: initial resist sidewall 

with scum next to the edge. Top 

right: SiO2 etch without descum. 

Bottom left: optimized etch that 

includes descum with near 

perfect sidewall. Process info in 

SiO2 case study document. 

2. Tool selection 

a. The etch tools are highly specialized, each with its own set of process gasses, materials 

and sample size restrictions. It is important to choose a proper sample for your process 

and to ensure that your device meets the material restrictions. Putting wrong materials 

in the etch can damage your own process, as well as contaminate the tool for everyone 

afterwards. Restoring the chamber to original condition can bring the entire etch bay 

down for a whole day to clean the contaminant.  

b. Use the chart below as a guide for your tool selection. It is never a bad idea to check 

with staff to make sure your samples and processes are compatible. 

 

c. Most etch tools readily accept 4” wafers and can be reconfigures for either 2” or 6”. 

However, irregular shapes, such as small pieces and square substrates, require a carrier 

to hold them inside the chamber. Selecting the carrier is as important as selecting the 

process chemistry. During the etch, the gasses will interacting with the carrier and 

create byproducts that will affect your sample. In addition, thermal conductivity has a 

big impact on selectivity of the mask and on etch rate. Although some tools have spare 

inert carrier provided, it is always a good idea to have your own carrier for your process 

to prevent cross contamination.  

 

3. Sample mounting 

a. If you are not using round wafers, and instead need to mount a sample onto the carrier, 

the cleanroom provides several bonding materials. For smaller pieces and short etches 

that do not pose risk of overheating, thermal release tape is the cleanest and easiest 

approach. For larger sample, it becomes increasing more likely with sample size to trap 

bubbles between the tape and the substrate or carrier, which will cause overheating of 

sample surface. In this case, vacuum grease or CoolGrease are preferred. For 

applications that require pristine cleaning of the mounting side of the sample (double 

sided devices), crystal bond can be used. The table below outlines properties of each of 

the provided bonding materials.  

 

b. Regardless of the bonding material, there are a few general good practices to observe. 

Try to minimize the amount of bonding material that is exposed to the plasma: while the 

material may be vacuum compatible, its interaction with plasma can add contaminants 

and particulates into the chamber that will end up on the surface of your sample. The 

carrier itself should also be clean, especially the backside that is in contact with the 

chuck. 

 

4. Preparing the chamber: Clean and Condition 

a. In a multi‐user facility one can never be sure of the status of the tool and the etch 

chamber when first coming up the tool. Although there are rules regarding cleaning the 

chamber after use for most of the etch tools, it is a good idea to check to make sure the 

previous user has performed proper cleaning steps. You can also run your own cleaning 

step using standard cleaning recipes using empty chamber or with a provided carrier for 

cleaning.  

b. The next step is to condition the chamber. This means running a dummy sample or 

carrier with our actual recipe for a short amount of time, typically no more than 5 

minutes. This step will prepare mass flow controllers and will ensure the cylinders are 

open. In addition, this step will coat the sidewalls of the chamber with material that 

your sample will see during the etch. Without conditioning, the sample will see different 

chamber conditions during the beginning of the etch (clean chamber) than during the 

end of the etch (conditioned chamber). Running multiple samples one after another has 

similar effect. Ideally, you want your sample to see the same chamber condition 

thoughout the process and the conditioning step prepares the chamber for the first part 

of first etch. The conditioning is optional, but is highly recommended to ensure 

repeatable results.  

c. Another clean step is usually required after all of the etching to leave the tool in a clean, 

predictable state for the next user. The graph below summarizes all of the steps.  

 

 

5. Metrology after the etch 

a. After performing the etch process, there are several measurements to take to 

characterize the process properly. Among them are etch rate, selectivity, uniformity, 

and sidewall angle. Taking cross sectional SEMs will help you extract data on thicknesses 

of both the etched material and the final thickness of the mask. The ratio of those etch 

rates determine selectivity. You can also measure sidewall angle, if that is important, 

and, if the pattern was designed for it, extract data on the dependence of etch rate on 

feature type and size. Small isolated holes will etch differently than large open areas. 

This is called aspect ratio dependent etching (ARDE). Example is below for deep silicon 

etch. 

  

Clean

(optional)

•Run the "clean" recipe with enpty chamber or the appropriate carrier. Time and process varies depending on the tool

Condition

(optional)

•Run your recipe with provided carrier (or your own wafer) for 2 to 5 min depending on application 

•This will prepare the chamber conditions for your device

Process

•Run your process

•If using chips, make sure to select proper carrier wafer

Clean•Run another "clean" recipe. This is usually a required step.

SAMCO 800 Deep Si etch. Nope 

the difference in etch depth 

between dense let side and open 

right side.  

b. To measure uniformity across a larger sample or wafer, take measurements at five 

point: center and four edges in a cross pattern. Use the formula below as a quick 

measure of uniformity: 

(MAX ‐ MIN)/(2*MAX)*100% 

Uniformity may not be applicable to small chips.  

c. There is an important note on selectivity that mostly relevant to photoresist and organic 

masks. Etch recipes sometimes include a descum steps in the first part or the recipe. 

This can remove a non‐trivial amount of resist, and can give a notion that the selectivity 

is dependent on etch time, with longer time producing higher selectivity. Make sure you 

understand the impact of descum on the mask thickness and perform mask 

measurements at the appropriate times. In some cases, it is important to measure the 

resist removal rate of just the first descum steps to know what the starting resist 

thickness is at the beginning of the actual etch step in the recipe. 

 

6. Next steps 

a. Depending on the results, the etch recipe can be modified to suit your needs. In some 

cases the mask may need to be changed instead of the etch step itself. There are many 

relationships between process values and final result, but most of the interactions are 

not linear. The staff is here to support your project and help you be successful.