微波等離子刻蝕

1、微波等離子刻蝕作 者：管道霞指導(dǎo)老師：楊建榮摘要：利用顯影后的光刻膠圖形作為掩膜，在等離子體存在的條件下，在SiO2，SiN4金屬、多晶硅等襯底上腐蝕一定深度的薄膜物質(zhì)，得到與光刻膠圖形相同的集成電路圖形。關(guān)鍵詞：等離子體，光刻膠，刻蝕，掩膜一、引言：自然界中物質(zhì)的形態(tài)除了固、液、氣三種狀態(tài)之外，還存在第四態(tài)，即等離子體狀態(tài)。等離子體事故通過一定的手段，（如加熱、直流、射頻、激光微波等形式激勵）使氣體分子離解或電力產(chǎn)生的電子、離子、原子、分子或自由基等粒子所組成的集合體。無論氣體是部分電離還是完全電離，等離子體中的正電荷總數(shù)和負(fù)電荷總數(shù)在數(shù)值上總是相等的，故稱為等離子體。等離子體的主要特征是：

2、粒子間存在長程庫侖相互作用，等離子體的運(yùn)動與點(diǎn)磁場的運(yùn)動緊密耦合，存在極其豐富的集體效應(yīng)和集體運(yùn)動模式。等離子體技術(shù)是一個具有全球性影響的新技術(shù)，近年來以極為迅猛的勢頭進(jìn)入到工業(yè)應(yīng)用的各個領(lǐng)域。除已廣泛應(yīng)用于焊接、切割、噴涂、氮化、冶金、化工等方面外，現(xiàn)已滲透在微電子、光電子、光記錄、磁記錄、平板顯示、磁流體發(fā)電、材料的表面處理、薄膜和超細(xì)超純微粉的制備等多個高技術(shù)領(lǐng)域，作為一種綠色（無環(huán)境污染）工業(yè)技術(shù)，對全世界的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的改造都有直接和重大的影響。在等離子體應(yīng)用技術(shù)中，微波等離子體具有低能量、高效率、低成本、無電極和大面積等優(yōu)點(diǎn)，特別使用與新材料（包括表面薄膜和體材料）的制

3、備、金屬制品的表面改性、高聚物制品及薄膜的表面改性、超大規(guī)模集成電路及高功率電子器件和光電子器件的制造、納米結(jié)構(gòu)的材料和器件及機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)、新型照明光源和紫外光源的開發(fā)等高技術(shù)領(lǐng)域，是當(dāng)前離子體反應(yīng)技術(shù)的發(fā)展前沿。目前微波等離子體主要在以下方面有廣泛的應(yīng)用：1微波等離子體化學(xué)氣相沉積制備各種功能薄膜材料，如BN薄膜，金剛石薄膜等。C-BN薄膜具有超高硬度、高熱導(dǎo)率和良好的化學(xué)熱穩(wěn)定性，在機(jī)械、電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。由于微波等離子體采用無電極放電，等離子體具有雜志濃度降低的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于制備光學(xué)用金剛石薄膜；2利用微波等離子體對材料表面進(jìn)行改性，如利用微波等離子體對天然絲織物、毛料改性，

4、從而改進(jìn)天然絲、毛的印染性；對高分子材料進(jìn)行表面改性，改變材料的物理和化學(xué)性能，提高材料的親水性、粘結(jié)性、電鍍和生物匹配性。微波等離子體純度高，密度大，無附產(chǎn)品，不產(chǎn)生環(huán)境污染，在材料表面改性上具有獨(dú)特優(yōu)勢。3微波等離子體清洗材料表面，其具體應(yīng)用包括：（1）塑料、玻璃和陶瓷表面活化。玻璃、陶瓷和塑料（如聚丙烯、PTFE等）基本上是沒有極性的，因此這些材料在進(jìn)行粘合、油漆和涂覆之前要進(jìn)行表面活化處理。（2）金屬去油及清潔。金屬表面潺潺會有油脂、油污等有機(jī)物及氧化層，在進(jìn)行濺射、油漆、粘合、減合、焊接、銅焊和PVD、CVD涂覆前，需要用等離子處理來得到完全潔凈和無氧化層的表面。焊接操作前：通常印刷

5、線路板在焊接前要用化學(xué)助焊劑處理。在焊接完成后這些物質(zhì)必須采用等離子方法去除，否則會帶來腐蝕問題。另外好的鍵合常常被電鍍、粘合、焊接操作時的殘留物寫若，這些殘留物能夠通過等離子方法有選擇的去除。同時氧化層對鍵合的質(zhì)量也是有害的，也需要進(jìn)行等離子清潔。4微波等離子體化學(xué)合成。如利用氫氣和氮?dú)庠谖⒉ǖ入x子體條件下合成氨；利用甲烷和氫氣在微波等離子體條件下合成碳納米管；利用甲烷和氮?dú)庠谖⒉ǖ入x子體條件下合成CN納米管。二、原理：光刻膠在受到光輻照后發(fā)生光化學(xué)反映，其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在顯影液中光刻膠感光部分與未感光部分的溶解速度相差非常大。利用光刻膠的這種特性，就可以在硅片表面涂上光刻膠薄層，通

6、過掩膜板對光刻膠輻照，從而使某些區(qū)域的光刻膠感光之后，在經(jīng)過顯影就可以在光刻膠上留下掩膜板的圖形。利用這層剩余的光刻膠圖形作為保護(hù)膜，對硅表面進(jìn)行刻蝕。將微波源通過控磁管產(chǎn)生的微波，以TE10模式經(jīng)矩形波導(dǎo)管、環(huán)行器、三螺釘阻抗調(diào)配器后到微波諧振腔，依靠調(diào)整短路活塞使微波能量集中到反應(yīng)腔中，從而激發(fā)氣體放電產(chǎn)生等離子體。然后將等離子體與鍍好薄膜并覆蓋有光刻膠掩膜版的硅片充分接觸，是其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)-即刻蝕，刻蝕產(chǎn)物為揮發(fā)性氣體并被抽走。其刻蝕工藝流程圖如下： 圖2-1三、儀器原理：實(shí)驗(yàn)器材：石英管式微波等離子體裝置；1000X光學(xué)讀數(shù)顯微鏡；玻璃基襯底的碳膜、模板等。微波放電是微波能量轉(zhuǎn)換為氣體

7、分子的內(nèi)能，使之電離。以產(chǎn)生等離子體的一種放電方法。這種方法通常采用波導(dǎo)管或天線將由微波電源產(chǎn)生的微波耦合到放電管內(nèi)，電子被微波電場加速后，與氣體分子發(fā)生碰撞并使之電離。若微波的輸出功率適當(dāng)，便可使氣體擊穿，實(shí)現(xiàn)持續(xù)放電。這樣產(chǎn)生的等離子體稱為微波等離子體。本實(shí)驗(yàn)采用的DH2004型多功能微波等離子體實(shí)驗(yàn)裝置就是利用頻率為2.45GHZ的微波激勵稀薄氣體放電，有微波源產(chǎn)生的頻率為2.45GHZ的微波，沿BJ22矩形波導(dǎo)管以TE10模式傳輸，經(jīng)環(huán)行器三螺釘阻抗調(diào)配器后到微波諧振腔，依靠調(diào)整短路活塞使微波能量集中到反應(yīng)腔中，從而激發(fā)氣體放電產(chǎn)生等離子體。準(zhǔn)備工作：1檢測模版的選用是否正確，光刻膠的

8、質(zhì)量是否滿足要求（光刻膠有沒有污染、劃痕、氣泡和條紋等）。2將清洗干凈（將分割好的載玻片先用稀硝酸清洗，再使用酒精或丙酮在超聲波清洗機(jī)上反復(fù)清洗兩次，然后烘干；或直接老鷹等離子體清洗）的玻璃薄片放入鍍膜機(jī)，置備一層約10µm厚的碳膜。3將碳膜板放在玻璃基襯底的碳膜上，用干涉顯微鏡測碳膜的和模板的厚度。4確認(rèn)設(shè)備各部件完好，連接安全（注意接地），觀測水位是否至20升（不足20升要注入至20升），看真空泵中油位是否有0.65升，（不足要再注入至0.65升），關(guān)閉放氣閥，和氣路、，將微波功率調(diào)至最小。5接通總電源，打開總電源開關(guān)按鈕，確認(rèn)冷卻水箱水容量及MTC2000水冷控制系統(tǒng)已設(shè)定完成

9、后，冷卻水開關(guān)按鈕。6將做好掩膜的樣品放到等離子體裝置的樣品反應(yīng)室中的基片臺上，使樣品居于反應(yīng)平臺上，關(guān)閉反應(yīng)室。7打開隔膜閥，確認(rèn)氣路連接規(guī)范完好后打開真空泵開關(guān)按鈕，抽反應(yīng)室本底真空。8打開熱阻真空計(jì)電源開關(guān)，測量此時反應(yīng)室的氣壓。9打開電阻真空計(jì)電源開關(guān)，抽真空約5分鐘使本底真空達(dá)到所需要求（以低于500Pa為佳）。測量反應(yīng)室的本底真空。10當(dāng)熱阻真空計(jì)降至1.00Pka時，從電阻真空計(jì)上看真空的精確值，并記錄下來。11關(guān)閉隔膜閥，微開“微調(diào)閥”，開“高壓”，調(diào)節(jié)“微波功率調(diào)節(jié)”至600W左右，可看到陽極電流突然增大，這時看反應(yīng)腔中是否有紫紅光-即等離子體。若沒有，則調(diào)節(jié)反射板、短路活塞

10、或三螺釘阻抗調(diào)配器的位置，使得“反射測量”的讀數(shù)最小。激發(fā)等離子體?？吹降入x子體后記下次時的陽極電流、陽極電壓、基片溫度、冷卻水溫度。12待紫紅黃在基片上刻蝕5min后，將微波功率降為0，關(guān)閉“高壓”再關(guān)真空計(jì)、真空泵、冷卻水和總電源。13在光學(xué)顯微鏡下觀察樣品的外觀形貌的變化，用干涉顯微鏡測出碳膜的寬度和深度，計(jì)算刻蝕速率。14按照以上步驟，其他不變，改變微波功率的大小相應(yīng)的再縮短刻蝕時間，刻蝕幾次，分別測量，計(jì)算出其刻蝕速率。15圖3-1、3-2分別為等離子體刻蝕在玻璃襯底上碳膜的過程示意圖和實(shí)驗(yàn)刻蝕現(xiàn)象圖： 圖3-1圖3-216按照以上步驟，只改變反應(yīng)腔中的氣壓，刻蝕幾次，測量各值，計(jì)算

11、出刻蝕速率。四、數(shù)據(jù)記錄：熱阻真空計(jì)（Kpa）電阻真空計(jì)（Kpa）發(fā)射電流（µA）陽極電流（mA）陽極電壓（V）微波功率（W）冷卻水（）基片溫度（）刻蝕時間（min）刻蝕深度（µm）.5.6（注意：微波功率低于時無等離子體產(chǎn)生）從上到下對應(yīng)的刻蝕速率（µmmin）.8實(shí)驗(yàn)分析：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明刻蝕速率隨著微波功率的增加而增加。當(dāng)微波功率增大時，氣體獲得的能量越多，電離概率增大使得離子密度增大，從而提高刻蝕速率。在刻蝕工藝中，刻蝕速率、均勻性及方向性是主要的參數(shù)指標(biāo)，也是刻蝕研究的主要內(nèi)容，與刻蝕速率有關(guān)的因素包括：（1）到達(dá)基體的離子、重型自由粒子的通量；（2）離子能量和自由基火星；（3）刻蝕反應(yīng)閥能；（4）基片的溫度；（5）刻蝕槽（孔）線寬及高深比。在影響刻蝕指標(biāo)的諸多等離子參數(shù)中，密度與徑向分布均勻是其中兩個重要因素。微波功率的增加可以提高反應(yīng)粒子的通量和能量，因而刻蝕速率隨微波功率單調(diào)增加。這也是本實(shí)驗(yàn)探究的一個方面。此外當(dāng)改變氣壓時，電子溫度和離子能量隨氣體氣壓的增加而單調(diào)下降，反應(yīng)粒子活性及