刻蚀法图形转移技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,图,1,沉积法与刻蚀法图形转移技术,(a),沉积过程,(b),去除光刻胶后图形,(c),刻蚀过程,(d),去除光刻胶后图形,2,刻蚀法图像转移技术,第八章,Etching method for image transfer technology,3,目 录,8.1,引 言,8.2,化学湿法腐蚀技术,8.3,反应离子刻蚀,8.4,反应离子深刻蚀,8.5,等离子体刻蚀,8.6,离子溅射刻蚀,8.7,反应气体刻蚀,8.8,其他物理刻蚀技术,5,图,8-1-1,等离子体干法刻蚀的刻蚀剖面,6,化学湿法刻蚀技术：,所谓湿法泛指所用应用化学腐蚀液体,的腐蚀方法,显著特点：,各向同性腐蚀，图形横向与纵向的腐蚀速率相同。但是某些腐蚀液对硅的不同晶面有不同的腐蚀速率，会形成各向异性腐蚀,应用：各向同性腐蚀图形,不可能有很高的图形分辨率，主要应用硅的表面清洗工艺，而不是一种图形转移技术。凡需,高分辨率的图形转移,的工艺过程均以干法刻蚀为主,8.2,化学湿法腐蚀技术,7,应用热点：,主要在微机电系统与微流体器件制造领域，由于这些机构尺寸比集成电路结构尺寸大得多，化学湿法刻蚀能够满足要求，且成本大大低于干法刻蚀,主要腐蚀材料：硅和二氧化硅,是微机械和微流体系使用最广泛的材料，也是半导体工业的基础材料，各种化学湿法主要以腐蚀这两种材料为主,8,8.2.2,硅的各向异性腐蚀,沿任意两个晶格点的连线的方向称为,晶向,，垂直于晶向矢量的彼此平行的平面为,晶面,。晶面指数以,hkl,来表示，晶面指数以（,hkl),表示。某一,hkl,晶向代表垂直于某一,(hkl),晶面的法向矢量,某些碱类化学腐蚀液对硅的腐蚀,与硅的晶面原子排列情况有关,，因此不同晶面方向的腐蚀速率有相当大的差异。以常见的（,100,）、（,110,）和（,111,）晶面为例，他们在氢氧化钾（,KOH,）中的腐蚀速率之比为（,110,）：（,100,）：（,111,）,=400:200:1,，由于晶面的夹角不同，这种依赖于晶面的腐蚀速率差异将会造成,不同的腐蚀剖面,结构,以,100,晶向的硅为例，从,100,方向腐蚀所得到的剖面不是垂直的，而是成,54.74,，这是因为,111,晶向与,100,晶向夹角为,54.74,，,111,方向的腐蚀速率远远低于,100,方向高,10,图,8-2-2 100,晶向的各向异性腐蚀剖面,12,图,8-2-3,由十字形掩模得到的（,100,）硅片腐蚀结构,14,图,8-2-4,掩模图形补偿技术,15,由于单晶硅湿法腐蚀的晶向依赖性，使掩模与晶向的对准变得十分重要。对准不好，腐蚀沟道的走向就不会沿着掩模设计的走向方向发展，而是沿着,晶向的方向,发展,硅片的表面为（,110,）面，,矩形掩模,的长轴方向成,3,个不同的角度，所腐蚀形成的图形也呈,3,个不同的角度，所腐蚀形成的图形也呈,3,中不同的剖面结构。值得注意的是，当矩形掩模的长轴方向转角,35.2,时，沿长轴边缘腐蚀的边壁是垂直的，并且掩模开口与边缘完全吻合,16,图,8-2-5,在（,110,）晶面上不同掩模方向形成的腐蚀结构比较,17,为了得到掩模与晶向的良好对准，首要问题是要预先知道硅片的,晶面,。一般购买到的商业硅片有两种晶面：,（,100,）晶面和,(111),晶面硅片，它们又分为,n,型掺杂和,p,型掺杂。（,100,）晶面的硅片表示（,100,）晶面,垂直,于硅片表面，而（,110,）晶面则,平行,于硅片表面磨口方向。除了依赖商业标识方法外，还可以通过实验测量晶向，方法是按角度分布在硅片上刻蚀一系列沟槽，找出其中与硅片晶面吻合的沟槽方向作为进一步掩模对准的方向。用这种方法可以使掩模与晶面错位小于,0.01,18,图,8-2-6,判别硅片晶面与掺杂种类的标志,20,图,8-2-7 KOH,在,(100),晶面的腐蚀效率,图,8-2-8,用硅体微加工制作薄膜支撑框架的结构,21,另一种硅的腐蚀液是,TMAH,，,TMAH,本身是光刻胶的一种显影液，也广泛用于硅的腐蚀液。,TMAH,对二氧化硅的腐蚀速率低，而不像,EDP,那样有毒性，,TMAH,腐蚀表面的光滑度要比,KOH,腐蚀表面好,10,倍，是湿法腐蚀硅纳米结构的最佳碱性腐蚀液。,TMAH,还有一个优点是它不含碱金属离子，可以安全地用于集成电路制造的工艺环境,23,腐蚀速率,：,HNA,对硅的腐蚀速率取决于这,3,种酸的混合比例，下图是三种酸的浓度比与腐蚀速率的关系，显然，有,两份,氢氟酸与,一份,硝酸加,少许,醋酸形成的腐蚀液具有最大的腐蚀速率（,240,m,min,),24,图,8-2-9 HNA,浓度比与腐蚀速率的关系,26,掩模选择：,氢氟酸对,二氧化硅,有很强的腐蚀作用，即使在,HNA,中其腐蚀速率也在,30,80nm,min,，因此二氧化硅不适合作为腐蚀掩模层，除非硅的腐蚀深度要求不高,光刻胶,承受不了像硝酸这样的强氧化剂作用，也不适于做,HNA,的腐蚀掩模,LPCVD,形成的,氮化硅,薄膜在,HNA,中的腐蚀速率在,80nm,min,以下，是最好的掩模材料，另外可以用铬模或金模作为掩模,27,液体流动性：,化学湿法腐蚀的一个主要问题是腐蚀速率与液体流动程度有关，在腐蚀工程中充分搅拌与无搅拌所得到的腐蚀结构会很不一样，使精确控制腐蚀剖面变得很困难,图,8-2-10,搅拌腐蚀液对腐蚀剖面的影响,28,二氧化硅：,集成电路中制造中，二氧化硅普遍用来作,绝缘膜和钝化膜,，在微系统技术中用来最绝缘膜之外还用来作为,牺牲层材料,。例如在二氧化硅上沉积一层多晶硅，用化学方法腐蚀二氧化硅，使多晶硅结构局部悬空，形成可移动部件,腐蚀溶液：,以氢氟酸为主，未稀释的氢氟酸,(49%,质量分数）的腐蚀速率可达到,1.8,m,min,，通常使用加缓冲剂的氢氟酸，缓冲腐蚀剂是由,7,份氟氨酸,NH,4,F,（,40%,质量分数）与一份氢氟酸,HF,（,49%,质量分数）混合而成。,LPCVD,二氧化硅的腐蚀速率可达,70nm,min,，缓冲剂比例越高，二氧化硅腐蚀速率越低,8.2.3,二氧化硅的各向同性腐蚀,30,提高横向腐蚀速率,采用,氢氯酸与氢氟酸,混合液，用,HF:H,2,O(1:1),与,HF,：,HCl,（,1:1,）腐蚀二氧化硅，,HF:H,2,O,的腐蚀速率为,330,nm,min,，,HF,：,HCl,的腐蚀速率,617 nm,min,，,HF,：,HCl,的,另一个优点,是对氮化硅与多晶硅腐蚀较低，有利于保护器件结构不受酸液腐蚀,采用,掺磷或掺硼的二氧化硅,，又称,磷硅玻璃,（,phosphosilicate glass,PSG,）和,硼磷玻璃,（,boron-phosphosilicate glass,BPSG),。,HF:HCl,（,1,：,1),混合液腐蚀,PSG,的速率为,1133 nm,min,，而腐蚀,BPSG,的速率为,4167 nm,min,31,玻璃,玻璃是一种,非晶态二氧化硅,，主要应用在微流体系统中，例如在玻璃表面腐蚀,微流体通道,，与硅的微加工过程基本一致，,玻璃还含有,Na,2,O,、,CaO,、,MgO,和少量,Al,2,O,3,（,BCl,3,刻蚀,），他们会加快,HF,腐蚀速率，也使用等离子体刻蚀的方法不可行,对较,浅的沟道,刻蚀可以选作,光刻胶,做掩模，若刻蚀超过,1h,，光刻胶会出现大量针孔，因此对,深沟道刻蚀,最好采用,Cr,或,Au,掩模,腐蚀液为,缓冲氢氟酸,（,7,份,NH,4,F,与一份,HF,），加少量的,HCl,（,9%,）可以使腐蚀的表面更光滑，腐蚀速率可达,1 m,min,以上,32,图,8-2-12,在,HF,酸中加,HCl,对微沟道腐蚀表面的影响,(a),加了,HCL,酸,(b),没加,HCl,酸,（,CaF,2,),33,等离子体产生,：,射频电源,有阴极端经电容耦合输入，阳极接地。在阴极与阳极间的射频电场作用下，空间初始的,少量电子,被加速获得能量与,气体,碰撞，导致气体原子被,电离,。电离的气体原子释放出更多自由电子，导致更多气体原子被电离，因此产生一种“,雪崩效应,”。随着气体分子的大量电离气体由最初的绝缘状态变为导电状态，有电流通过，并在阴极与阳极间形成电场。同时空间的自由电子也会不断的与气体离子碰撞,复合,，恢复为气体原子。最终达到平衡空间形成等离子体，气体离子恢复到原子态会以,光子,的形式释放能量，产生辉光，产生等离子体的过程也叫,辉光放电,过程。,8.3,反应离子刻蚀,8.3.1,反应离子刻蚀的原理,34,图,8-3-1,平板电极辉光放电系统与放电区电位分布,35,反应器组成部分：,（,1,）,真空系统,一个密闭的反应腔，附带一套真空泵来实现压力控制。腔内压力通常维持在微米汞柱范围,（,2,）,气体流动控制系统,实现气体的循环。将反应的特定气体供进来，将反应的特定的挥发性气体派出去,（,3,）,驱动系统,可以采用不同的动力源，如射频、直流、交流、或者微波,（,4,）,耦合,可以有电容式或者电感式,36,图,8-3-2,用于干法刻蚀的等离子反应器的基本结构,37,刻蚀原理：,（,1,）,物理溅射,（,溅射镀膜）,阴极表面的负电场有利于对离子的加速。离子轰击样品表面,清除了,表面碳氢化合物污染和天然氧化层，有利于反应气体吸附，另一方面也对表面进行了,物理刻蚀,（,2,）,离子反应,化学活性,气体的离子,直接与样品表面原子反应，生成挥发性产物被真空系统抽走,（,3,）,产生自由基,入射离子将样品表面吸附的化学活性分子分解为自由基,（,4,）,自由基反应,自由基在样品表面迁移，并与表面原子反应生成挥发性产物,38,图,8-3-3,反应离子刻蚀的,4,个基本过程,离子能量：,0,10eV,物理吸附 几个原子损伤,10,5000eV,离子注入或溅射,39,腐蚀气体的选择,一般,硅及硅化物,的刻蚀气体主要以,氟化物,为主,族化合物材料如,GaAs,和,Al,及其化合物以,氯化气体,为主，有些用,氢或烷基气体,刻蚀,溴化物,也被用作为反应刻蚀气体，但卤族气体的化学腐蚀性按氟、氯、溴、碘排序依次增强，尤其是对真空排气系统的腐蚀，所以,碘,及其化合物从来不用做刻蚀气体,40,表,8-3-1,反应离子刻蚀化学气体与被刻蚀的材料,41,腐蚀气体的考虑,反应生成物要是,挥发,的，且沸腾温度要,低,刻蚀金属,铬,就不能选用含,氟,刻蚀气体而必须选用含,氯,的刻蚀气体，因为铬的氟化物沸腾温度远远大于铬的氯化物沸腾温度,可以将样台加温，使他的温度接近生成物沸腾温度，刻蚀主要考虑对衬底材料的,抗刻蚀比,和,各向异性度,，其次是,刻蚀速率,与,刻蚀均匀性,光刻胶有机聚合物抗刻蚀性,差,，有时要用,二氧化硅,、氮化硅、或金属膜做掩模，,首先,要用光刻胶做掩模刻蚀二氧化硅、氮化硅或金属膜，然后在以这些材料做掩模刻蚀材料,42,表,8-3-2,某些元素的刻蚀反应生成物沸腾温度,43,刻蚀工艺参数：,（,1,）,反应气流速度,在压强不变的情况下，流速太,快,将导致反应气体分子在反应室停留的,时间缩短,，以为维持压强不变意味着必须增加抽气速率，如果等离子体的产生功率不变，则能够产生的反应活性离子减少，导致刻蚀速率下降；反之，如果流速太,低,，被消耗掉的反应气体得不到及时,供给,，也会使刻蚀速率降低,8.3.2,反应离子刻蚀的工艺参数,44,（,2,）,放电功率,增大放电功率会导致离子,能量增加,，使电离几率增加，反应离子产生速率增加，同时离子对阴极表面及样品材料表面的,轰击增加,，离子轰击不但可以增加刻蚀速率，而且可以增强刻蚀的各向异性度，因为离子垂直刻蚀样品表面，几乎没有横向刻蚀。但由于是物理溅射，离子轰击会增加掩模损失，,降低,掩模的,抗刻蚀比,45,图,8-3-4,样品台偏置电源功率的影响,46,（,3,）,反应室气压,反应离子刻蚀一般工作在,10,10,Torr,范围的低气压条件。在低气压，气体分子密度降低，电子自由程增加，因电子在每两次碰撞之间的加速能量增加，使,电离几率,增加；离子之间离子与原子之间碰撞减少，离子对材料表面刻蚀方向性改善，即横向刻蚀降低，使刻蚀的各向,异性,增强；低气压有利于挥发性产物迅速离开刻蚀表面增加反应速率，增加,刻蚀速率,。,低,气压，使离子,轰击刻蚀,占主导地位，,高,气压离子自由程降低使化学,反应刻蚀,占主导地位，如果气压太低辉光放电无法维持,47,图,8-3-5,反应气压的影响,48,（,4,）,样品材料表面温度,高温,会促进化学反应，同时也有利于化学反应生成的,挥发性产物,离开刻蚀表面。某些,族化合物半导体材料必须在较高衬底温度才能有效刻蚀，例如,InGaAs,或,GaInAsP,要求衬底温度在,150C,以上，不对衬底特殊加温，被刻蚀的材料表面也会因,离子轰击,自然,升温,，材料表面温度可达,100,200C,温度升高会使,光刻胶掩模,软化,变形,，并且光刻胶掩模的刻蚀速率也会增加，使刻蚀的,各向异性度,变差。可以采用氧化硅或氮化硅做掩模，也可以对样品台采取冷却措施,49,（,5,）,电极材料,被刻蚀样品放在阴极表面，阴极本身也与样品一样被刻蚀，,阴极材料,要是化学惰性的，等离子体中大量反应活性离子将被阴极刻蚀消耗掉，使,刻蚀速率,降低,阳极和反应室侧壁接地，阳极与侧壁在离子溅射的刻蚀下形成,不挥发性产物,，这些产物会沉积到其他表面，包括样品材料表面，影响对材料表面进一步刻蚀,记忆效应,和,交叉污染,，将前一次的刻蚀物带到下一次刻蚀环境中，影响刻蚀结果，可以用氧气或氩气对腔体进行,预刻蚀,一段时间,50,（,6,）,辅助气体,卤素气体是反应离子刻蚀的主要气体，在卤素气体中加入少量的,氧气,或,氩气,会改变刻蚀效果,在,CF,4,中加入,10%,的氧气,会使刻蚀速率增加,10,倍。在,CF,4,等离子体中，,CF,4,分解为,CF,3,、,CF,2,等自由基，在空气缺氧的情况下，,CF,3,、,CF,2,等自由基很容易复合形成稳定氟化物，有氧气存在时，阻止他们的,复原,，促使产生更多的,F,自由基参与反应,CF,3,+CF,3,C,2,F,6,CF,3,+F,CF,4,CF,2,+O,COF+F COF+O,CO,2,+F,刻蚀速度,随氧气流速增加而增加，但,抗刻蚀比,对氧气流速有一个最大值，然后随氧气流速增加而大幅度降低。主要因为氧是刻蚀光刻胶的气体，氧气参与加速了光刻胶的刻蚀,51,图,8-3-6,氧气辅助气体的影响,52,氩气,也是经常用到的辅助性惰性气体，氩离子不参与化学反应刻蚀，主要起物理,溅射刻蚀,作用，还有稳定,等离子体放电,作用,SF,6,是一种,电负性,气体，电离后对放电空间电子消耗较多，使空间电子密度下降，加入,氩气,后，氩原子的电离可以提供额外的,电子,，有利于稳定等离子体放电,氩气,加入量,有一个最佳值，过度的氩气会,稀释,化学反应气体浓度，同时氩离子轰击溅射会加快,掩模,消耗,这些,因素,相互依存，最佳,刻蚀效果,（刻蚀速率、抗刻蚀比）需要试验摸索,53,各向,异性度,的控制比较复杂，化学活性气体参与的刻蚀都是各向同性的，只有物理溅射刻蚀才是各向异性，但会消耗掩模层，化学刻蚀对,碳氢聚合物,的存在非常敏感，表面有一层非常薄的碳氢聚合物薄膜也会有效阻止反应离子的横向刻蚀，光刻胶是碳氢聚合物，大多数离子刻蚀过程都会有碳氢聚合物产生，溅射到被刻蚀材料表面，形成“,钝化层,”,刻蚀硅中用,SF,6,后引入,CHF,3,气体，刻蚀,硅尖,结构，起到明显改善刻蚀的异性度效果。用这种方法可以获得,50nm,以下的硅,纳米线,结构，纳米线深宽比,50:1,。物理溅射清除,垂直,方向的钝化膜,54,图,8-3-7,硅尖结构刻蚀方法,55,（,a,）高,CHF3,气体流速（,b,）中,CHF3,气体流速 （,c,）低,CHF3,气体流速,图,8-3-8,反应离子刻蚀硅尖形状控制,56,另一种形成钝化的方法是,低温,反应离子刻蚀（,cryogenic RIE),。常温刻蚀硅时，,SF,6,气体与硅反应生成,SiF,4,挥发性产物并被排气系统抽走，温度低于,-100 C,度时，,SiF,4,就会,冷凝,在样品表面，形成,10,20nm,厚的保护层，使,F,自由基与硅的反应大大减弱，光刻胶或二氧化硅的消耗也大大减弱，各向异性度，掩模,抗刻蚀比,同时得到改进。最佳温度在,-110 C,左右，若温度低于,-140 C,时，,SF,6,气体在样品表面冷凝，纵向刻蚀也停止,57,需要和工艺：,8.4,反应离子深刻蚀,大规模,集成电路,制造中，越来越多的器件需要高深宽比微细结构，需要刻蚀深,孔,填充,SiO,2,，深刻蚀通孔填充,金属,，实现层与层之间的互联，深宽比要求达,10:1,甚至,20:1,，,MEMS,中需要刻蚀深度不是几微米，而是几十微米甚至,几百微米,两种技术使高深宽比的硅刻蚀称为可能，一种是,电感耦合等离子源,，另一种利用刻蚀与钝化交变过程，由罗伯特,伯施（,Bosch,）发明，并申请专利，也叫,“,Bosch,”,工艺,58,电感耦合等离子体源：（,induction coupling plasma),8.4.1,电感耦合等离子体系统,反应离子深刻蚀第一个要求是需要较高的刻蚀速率，否则刻蚀穿透,500,m,厚的硅片需要太长时间，无法成为一种生产技术。传统二级平行板电极系统随着,射频功率,的提高，等离子体密度会提高，但同时电极自偏置电压也提高，离子轰击样品的能量也增加，物理溅射会使抗刻蚀比下降，,ICP,源解决了刻蚀,速率,与,抗刻蚀比,这对,矛盾,电感耦合,可以长时间维持等离子体区内电子,回旋,运动，增加电离几率；样品基板,独立,输入射频功率，产生的自偏置电压可以独立控制。,59,ICP,源,既,可以产生很高的等离子体密度，,又,可以维持较低的离子轰击能量，,满足,了高刻蚀速率与高抗刻蚀比这个原来互相,矛盾,的要求。刻蚀速率可实现,20,m,min,以上，未来有可能达到,50,m,min,甚至,100,m,min,以上；对硅与光刻胶掩模的抗刻蚀比可达,100:1,，对硅和二氧化硅掩模的抗刻蚀比可达,200:1,以上,60,图,8-4-1 ICP,源的结构示意图,61,微波电子回旋共振等离子体源：（,ECR),微波功率,通过波导由系统的顶部输入到谐振腔体，电子在谐振腔内随微波的谐振而产生,共振,，并在腔体外磁场的作用下,回旋,，通过这种方式电子获得回旋共振能量，提高电离效率，导致很高的等离子体密度，样品台基板也是由一个,单独,的射频源输入射频功率，形成自偏置电压，等离子体能量和等离子密度单独控制，实现,高,刻蚀速率、,高,抗刻蚀比,缺点是结构复杂，需要,微波功率源,，存在微波谐振与样品台基板射频源,匹配,的问题，,ICP,源的出现取代了,ECR,源,62,图,8-4-2 ECR,源的结构示意图,63,8.4.2 Bosch,（伯施）工艺,反应离子深刻蚀第二个要求是需要极好的,各向异性,，即刻蚀的边壁垂直。否则刻蚀越深，刻蚀图形与设计图形的,偏差,越大。化学刻蚀本质上是各向同性的，对碳氢聚合物的存在非常敏感，为阻止或减弱边壁刻蚀，只有设法向刻蚀侧向,边壁沉积,一层抗刻蚀薄膜，这就是“,Bosch,”工艺。,通过交替转换刻蚀气体与钝化气体实现刻蚀与边壁钝化，其中刻蚀气体为,SF,6,，钝化气体,C,4,F,8,。,C,4,F,8,在等离子体中能够形成氟化碳类聚合物，它沉积在硅表面能够阻止氟离子与硅的反应。刻蚀与钝化每,5,15s,转化一个周期。,64,深度方向,上有离子的物理溅射轰击，钝化膜被剥离，是化学反应离子刻蚀可以进一步发生，但,侧壁方向,不受离子溅射，钝化膜得以保留下来,在表面,1%,暴露刻蚀面积的情况下刻蚀速率可以达到,50,m,min,在表面,20%,暴露情况下刻蚀速率可以达到,30,m,min,，硅与光刻胶的,抗刻蚀比,大于,300:1,刻蚀深度比,大于,100:1.,65,表,8-4-1,典型的“,Bosch,”工艺参数,66,在,Bosch,工艺中由于刻蚀与钝化的互相转换，而每一步刻蚀都是各向同性的，依次造成了刻蚀边壁的,波纹效应,。边壁波纹可形成高达,100nm,以上的粗糙度。,通过,缩短,刻蚀与钝化,周期,可以减弱这种波纹效应，实现了,70,m,深的边壁表面波纹起伏小于,20nm,也可以在刻蚀后进行化学湿法抛光腐蚀，例如将刻蚀样品放入,KOH+IPA,混合腐蚀液中短暂时间，将表面波纹起伏腐蚀平滑,低温刻蚀,没有气体转化过程，,不,会形成所谓“,波纹,”,效应，低温刻蚀与“,Bosch,”刻蚀的主要,区别,仅在于一个需要,低温冷却,样品基板，另一个需要气体,转化,，可以再一台,ICP,刻蚀系统上同时实现两种刻蚀方式,67,图,8-4-3,“,Bosch,”工艺形成的边壁波纹,68,图,8-4-5 KOH+IPA,腐蚀过后的图形,69,图,8-4-6 KOH+IPA,腐蚀提高了边壁的光滑度,(1 1 0)(1 0 0)(111),(1 0 0)(1 1 0)(111)5,2123,70,8.4.3,纳米机构的深刻蚀,Bosch,工艺形成的边壁波纹在大多数情况下，尤其对于,MEMS,的应用，并不会造成影响，因为,MEMS,器件的结构一般都在数十微米以上；但如果刻蚀结构的深度在,100nm,或,100nm,以下边壁波纹会对刻蚀结构本身造成严重影响，影响,压印后的脱模,采用,特氟龙,涂层的样品台，或干脆,不做气体转换,直接混合进行刻蚀，或者采用,低温,刻蚀,还可以采用非气体转化深刻蚀工艺，包括,HBr,、,SF,6,+C,4,F,8,、,SF,6,+O,2,过合气体的低温刻蚀工艺。,16nm,硅线结构代表深刻蚀技术的目前水平,71,图,8-4-7 Bosch,工艺微刻蚀形成的纳米结构,72,图,8-4-8,用,SF,6,+C,4,F,8,刻蚀硅纳米线结构,73,（,1,）,负载效应,8.4.3,反应离子深刻蚀工艺中存在的问题,负载效应是指局部刻蚀气体的消耗大于供给引起的刻蚀速率下降或分布不均匀效应。包括,3,种：,宏观,负载效应、,微观,负载效应、以及,与深宽比有关,的负载效应,宏观负载效应,是因刻蚀总面积的增加而导致的整体刻蚀速率的下降，如在刻蚀面积仅占样品总体面积,1%,时，刻蚀速率,50,m,min,刻蚀面积占总体面积,20%,时，最高刻蚀速率,30,m,min,微观负载效应,是指同一设计图案内图形密度不同导致刻蚀速率不同，在图形,密集,区域刻蚀深度小于图形,稀疏,区域，造成样品整体刻蚀深度不均匀,74,与,刻蚀深宽比相关,的负载效应主要是因为高深宽比结构的图形随着刻蚀深度的增加，刻蚀表面的有效反应成分,更新,困难。因为必须是刻蚀生成的挥发成分必须从深沟槽或深孔中,排出,，并使充足的有效反应成分进入深槽或深孔，所以与刻蚀深宽比相关的负载效应又被称为,RIE,滞后效应,或,孔径效应,传统反应离子刻蚀也会有上面的问题，但以深刻蚀严重。,一般,可以采取,高抽真空,系统，稀释反应气体或脉冲式等离子体可以在某种程度上缓解负载效应，目的是快速移走反应生成物或减小表面有效反应成分不均匀性；还可以增加一些,无用图形,平衡图形密度分布；还可以调整工艺参数满足,关键图形,刻蚀要求，允许非关键图形刻蚀精度有所差异,75,图,8-4-9,反应离子深刻蚀中的负载效应,76,（,2,）,微沟槽效应,微沟槽效应,是指深刻蚀中边角的刻蚀深度大于中心部分刻蚀深度的一种表现。是由,高能离子,在刻蚀结构的侧壁,下滑,并直接轰击溅射侧壁的边角造成的。,由于侧壁表面近于,垂直,的角度，,小角度,掠射到侧壁的离子会被直接,反射,到侧壁底部的边角，形成一种,聚焦,效应，使侧壁边角的刻蚀速率额外增强,刻蚀深度,越深,侧壁现象,越明显,；刻蚀侧壁的,负电荷积累,也会加重微沟槽效应。向刻蚀表面,喷射电子,，例如用宽束电子辐照样品表面，可以在某种程度上中和刻蚀表面的电荷分布不均，达到,减小,微沟槽效应的效果,77,图,8-4-10,形成微沟槽的机理,78,图,8-4-11,微沟槽效应与加入电子中和后的结果,（,a,）深刻蚀中微沟槽效应,（,b,）加入电子中和后的结果,79,（,2,）,缺口效应,缺口效应是发生在刻蚀,SOI,（,silicon on insulator),硅片时发生的一种现象。,SOI,由两层单晶硅中间夹一层二氧化硅通过硅片键合技术形成的。底层的硅单晶作为,衬底层,，又称,“,把手层”顶层的硅单晶叫,器件层,刻蚀速率快的图形在刻蚀到二氧化硅隔离层后并,没,有完全,停止,，而是继续沿着二氧化硅隔离层表面,横向,方向,刻蚀,，形成所谓“,缺口,”效应,发生缺口效应的原因是离子在二氧化硅绝缘层表面,积累,形成一个局部的,正电场,，这个局部的正电场将入射离子向,两侧偏转,，造成对界面处硅层的刻蚀,解决方法可将局部,正电荷移走,，或者降低刻蚀样品台偏置电压的,频率,，使积累的正电荷在偏置电压关段区有时间,逸散,80,图,15,缺口效应和金属夹层,charge relaxation,81,图,18 SAMI,（,self-aligned metal inerlayer),过程,82,图,8-4-12,微沟刻蚀结果比较,Without a self-aligned metal interlayer,With a self-aligned metal interlayer,83,图,8-4-13,样品台采用低频电压微沟槽刻蚀结果,Low-frequency substrate bias 380 kHz,pulsed at 40 Hz and 50%duty cycle,84,（,2,）,离子损伤效应,反应离子刻蚀中总是有一部分离子在阴极电场加速下轰击刻蚀表面，一方面起到,溅射刻蚀,作用，另一方面也会对刻蚀表面载流子分布及晶格结构造成,损伤,离子能量在,50,500eV,左右，大多数离子在样品表面的穿透深度只有几纳米，但样品若是,低晶面指数,表面，离子会由于沟道效应进入样品深层，形成对载流子的,陷阱,，或造成晶格,缺陷,或,杂质,，使,高,迁移率晶体管,载流子浓度,和,迁移率,发生变化,单晶材料可以通过,退火工艺,消除，但不适用于,族化合物半导体，高温会使他们分解。最好的解决办法就是,降低,离子能量，,ICP,系统可以单独控制阴极偏压，降低离子能量，但同时,也,会影响到刻蚀速率、抗刻蚀比、刻蚀各向异性度等,85,图,8-4-14,离子损伤效应对样品的影响,SF6:N2=30:30 sccm,20 W,15 mTorr,30 C,DC bias 70 V,（,4%,和,11.2%,）,86,8.5,等离子体刻蚀,反应离子,刻蚀并不等同于,等离子,体刻蚀,(plasma etch),纯的等离子体刻蚀主要是化学刻蚀，被刻样品放在,阳极,表面，阳极表面电场很弱，离子轰击溅射效应可忽略不计,纯等离子系统除平板电极结构外，还有,筒桶形反应器,刻蚀系统（,barrel etcher),，等离子体在筒形空间产生，通过反应壁上的电极,耦合,到反应器空间，被刻蚀样品放置在等离子空间，样品表面没有任何,电场,形成，因而也就不存在,离子轰击,效应,可以放置多片硅片，作为表面干法清洗工艺，,非图形转移,类刻蚀，例如清除光刻胶涂层。还可以用于清除,牺牲层,，例如二氧化硅层、,PMMA,或光刻胶层，,湿法腐蚀,液体张力会使微结构黏附在衬底表面，导致器件失效。已成功用于制作,空气桥,微结构和,微悬臂梁,结构,87,图,8-5-1,筒形等离子体刻蚀系统的横截面示意图,88,图,8-5-2,空气桥结构工艺流程,89,图,8-5-3,微悬臂梁结构,High power RF MEMS switch configuration:a matrix of cantilever switch,90,8.6,离子溅射刻蚀,离子溅射刻蚀是纯粹的,物理,过程，氩气是常用的离子源气体，,等离子,体溅射效率低，或刻蚀速率低，一般不用来作刻蚀工具，而是作为,薄膜沉积,工具，如等离子体溅射镀膜,离子束溅射刻蚀又称为“,离子束铣,”，与等离子刻蚀不同的是将等离子体的产生区和刻蚀区,分开,，热阴极发射电子通过阳极加速获得足够能量，与气体分子碰撞产生电离，形成等离子体。等离子体区的离子通过加速电极引出，轰击到样品表面,如果样品为,绝缘材料,，则正离子轰击会积累电荷形成,表面正电场,，对离子产生排斥作用，可以在样品架附近加装一个热阴极，叫做,中性化阴极,，其发射的电子能够被样品表面的正电场吸引而中和因离子积累形成的正电场,因此离子束溅射可以刻蚀,导电材料,或,绝缘材料,91,图,8-6-1,离子束刻蚀系统的结构示意图,92,表,8-6-1,一些材料的离子溅射刻蚀速率,93,（,1,）离子束溅射对材料没有选择性，掩模消耗速度很快以此,刻蚀深度有限,离子束溅射技术中需要注意的三点,光刻胶,有较高的离子溅射速率，并,不是,最合适的掩模材料，但如果在刻蚀室中引入化学活性气体，则不仅可以改善抗刻蚀比而且可以改善刻蚀速率,例如刻蚀,氧化铪,(HfO,2,）材料中加入,CHF,3,气体（,Ar:CHF,3,=1:2,）不但使氧化铪的刻蚀速率增加，而且使光刻胶掩模的刻蚀速率降低,加入化学活性气体后的离子束溅射刻蚀变成了反应离子束溅射刻蚀（,reactive ion beam etching,RIBE,),需要注意的是,RIBE,并不等同于,RIE,，因为化学活性气体不是以反应离子的形式参与刻蚀，而是吸附在刻蚀表面，参与表面化学反应,94,图,8-6-2,有无,CHF,3,气体的氩离子束溅射刻蚀速率比较,95,（,2,）,小面现象,由于离子溅射对掩模的过渡消耗，掩模厚度随着刻蚀深度的增加而减薄，掩模的形状也随着离子束的溅射而变形，因为,尖角,处的掩模总是,最快,消耗掉，掩模下的刻蚀结构也随之改变形状，形成所谓,“小面”现象,小面现象,在以,光刻胶,为掩模的情况下最为严重，因为光刻胶层必须很厚才能阻挡离子束溅射对掩模的过度消耗。以硬质材料如,钨,做,掩模层,会大大减轻小面现象，但硬质材料需要,额外,的光刻与刻蚀工序，使图像转移复杂化,反应,96,（,3,）,溅射与离子轰击角度有关,离子溅射产额在倾斜角度最大，因此在离子束溅射系统刻蚀中，样品总是,倾斜,放置的，为了得到均匀溅射，样品架本身除了倾斜之外还绕中心轴,旋转,（,4,）溅射产物会,再次沉积,到溅射系统的各个部分,样品在刻蚀中,倾斜,和,旋转,能够有效清除边壁上的二次沉积层,引入,化学活性气体,，例如在离子束溅射刻蚀氧化铪（,HfO,2,）中引入,CHF,3,气体。,CHF,3,气体并不能导致溅射刻蚀产物成为挥发性产物，但因引入,CHF,3,气体而产生的,溅射刻蚀产物,却可以用,HCl,腐蚀溶解，而,HCl,对氧化铪结构物任何伤害,97,图,8-6-3,离子束溅射刻蚀中的小面现象,98,8.7,反应气体刻蚀,前面介绍的干法刻蚀都是利用等离子体中的,离子,，或者直接物理,溅射刻蚀,，或者,化学反应,刻蚀。反应气体刻蚀则不需要任何形式的等离子体。利用二氟化氙（,XeF,2,）在气态可以直接与硅生成挥发性产物,SiF4,，可对硅表面进行各向同性刻蚀,XeF,2,+Si,2Xe,（气态）,+SiF,4,（气态）,XeF,2,在常温常压下成白色固体粉末状态，但蒸汽压很低（约,3.3Torr,，,25 C,），在,1,4Torr,的低真空下升华为,气态,。所以，这种气象刻蚀不需要等离子体，只需要一个,真空容器,和,排气系统,99,（,1,）,XeF,2,只对硅起化学腐蚀作用，因此有非常,高,的,抗刻蚀比,（,2,）,XeF,2,刻蚀硅的速度一般在,1,3,mmin,。刻蚀速率与硅的,晶向,或,掺杂,无关，刻蚀深度只与时间有关,（,3,）,XeF,2,刻蚀是完全,各向同性,刻蚀，而且,横向钻蚀,(undercut),能力特别强，使之成为清除牺牲层、制作悬挂式微机构的有效方法,（,4,）,XeF,2,刻蚀的表面,非常粗糙,，其表面粗糙度可达数微米以上。通过与,其他卤素气体,的混合使用可以改善表面刻蚀粗糙度，例如将,BrF,3,和,ClF,3,加入到,XeF,2,气氛中能够得到光滑表面,XeF,2,气相刻蚀硅有以下优点,100,供气方式,XeF,2,气相刻蚀可以通过两种方式实现，一种是,脉冲式,供气方式，另一种是,恒流,供气方式。,脉冲式供气方式，首先将样品空间抽真空至,20mTorr,左右，然后通入,XeF,2,蒸气，待腔体气压达到,1.4Torr,时关上进气阀，反应,20s,后，打开抽气阀将真空恢复至,20mTorr,，然后进行下一周期的进气,恒流供气方法则是利用节流阀将样品空间内的,XeF,2,气压,控制,在,1.4mTorr,左右，直到所需要的刻蚀时间达到后关上进气阀,101,表,8-7-1 XeF,2,对几种常用掩模材料抗刻蚀比,102,图,8-7-1 XeF,2,的钻蚀作用,103,8.8,其他物理刻蚀技术,除了以上利用离子的物理刻蚀技术之外，一些传统的加工技术如,激光加工,、,电火花加工,和,喷粉加工,也经过改进被用来进行微细加工,8.8.1,激光微加工技术,激光加工已经是一种成熟的加工技术，长期以来广泛用于,电子工业,和,机械制造业,，如切割、划片、打孔、打标、焊接、表面处理等、可加工材料包括金属、陶瓷、玻璃、聚合物材料、金刚石或碳化硅等,传统激光加工,104,传统激光加工是一种基于,热效应,的加工方法，即高能量密度的激光束使工件表面局部,升温,、,熔化,至,汽化,来逐层移走材料，热加工不可避免会带来加工表面和边缘因热灼形成的,粗糙不平,，对宏观材料来说也许不算什么，但对微加工来说是该技术的一个主要缺陷,基于热效应的激光加工不但加工深度有限制（一般在,0.5,1mm,左右）加工横向尺寸也有限制，因为激光本身的,波长,限制了能够得到的分辨率,105,图,8-8-1,激光束在,1mm,厚镍铁合金上加工制作的,25,m,的沟槽,106,激光冷加工,可以避免因热熔带来的一系列问题，可以实现冷加工的有准分子激光对聚合物材料和某些陶瓷材料的加工,准分子激光加工的短波长光子能量能够引起某些聚合物分子的光化学反应，,击断,聚合物分子长链，直接生成汽化产物，而不经过热熔阶段，形成一种所谓“,激光刻蚀,”（,ablation),。激光剥蚀在加工表面不引起灼烧现象，可以形成平整的加工表面和边缘,准分子激光器由于波长短，光学分辨率高，因而可以进行高精度微细加工。聚合物材料本身并不是一种用途很广范的功能材料，因此以激光加工形成聚合物结构通常只是作为中间过渡结构，通过电镀将聚合物结构转化为金属结构，这一技术可以成为,激光,LIGA,技术,准分子激光加工,107,图,8-8-2,由准分子激光刻蚀形成的微细结构,108,图,8-8-3,由准分子激光加工光热驱动器,单层高密度聚乙烯（,HDPE,）,（,single-layer high-density polyethylene,）,1500,m-length,250,m-width,40,m-thickness,109,激光加工技术方面的一个令人瞩目的发展是具有,飞秒脉宽,的蓝宝石激光的应用。飞秒激光的脉冲宽度或每一个脉冲的持续时间在,飞秒量级,，而传统的脉冲宽度在纳秒量级，飞秒脉冲对材料表面的辐射时间如此之短，以至于激光能量没有时间转化为热量扩散到相邻区域。直接由固态转化为,等离子体态,，并爆发式逸出材料表面，没有热熔过程，因此飞秒加工也是,冷加工,飞秒激光加工,110,图,8-8-4,纳米激光与飞秒激光在不锈钢表面打孔比较,111,图,8-8-5,飞秒激光加工微结构,(a),不锈钢薄片上深孔（,b),金属薄膜上微纳米阵列孔,(c),耐热玻璃上深,4,m,的水渠道结构,112,图,8-8-6 TTP,技术加工的微小蜘蛛和恐龙模型,飞秒双光子聚合（,TPP,）,(two-photon polymerization),11