刻蝕法圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)

1、圖1 沉積法與刻蝕法圖形轉(zhuǎn)移技術(shù) (a)沉積過程 (b) 去除光刻膠后圖形 (c)刻蝕過程 (d) 去除光刻膠后圖形 1刻蝕法圖像轉(zhuǎn)移技術(shù)第八章Etching method for image transfer technology2目 錄8.1 引 言 8.2 化學(xué)濕法腐蝕技術(shù) 8.3 反應(yīng)離子刻蝕 8.4 反應(yīng)離子深刻蝕 8.5 等離子體刻蝕 8.6 離子濺射刻蝕8.7 反應(yīng)氣體刻蝕8.8 其他物理刻蝕技術(shù)3刻蝕：利用化學(xué)或物理方法將未受光刻膠保護部分的材料 從表面逐層清除刻蝕的兩個基本參數(shù)：一是掩模的抗刻蝕比（selectivity) 二是刻蝕的方向性（directionary)，或各向

2、異性度(anisotropy）高抗刻蝕比：掩模本身的損失很少，能夠經(jīng)受的住長時間的刻蝕刻蝕的各向異性度：在襯底不同方向刻蝕速率的比。如果刻蝕在各個方向的速率相同，則刻蝕是各向同性的；如果刻蝕在某一方向最大而在其他方向最小，則刻蝕是各向異性的；介于兩者之間是部分各向異性刻蝕 8.1 引 言4圖 8-1-1 等離子體干法刻蝕的刻蝕剖面5化學(xué)濕法刻蝕技術(shù)：所謂濕法泛指所用應(yīng)用化學(xué)腐蝕液體 的腐蝕方法顯著特點：各向同性腐蝕，圖形橫向與縱向的腐蝕速率相同。但是某些腐蝕液對硅的不同晶面有不同的腐蝕速率，會形成各向異性腐蝕應(yīng)用：各向同性腐蝕圖形不可能有很高的圖形分辨率，主要應(yīng)用硅的表面清洗工藝，而不是一種圖

3、形轉(zhuǎn)移技術(shù)。凡需高分辨率的圖形轉(zhuǎn)移的工藝過程均以干法刻蝕為主8.2 化學(xué)濕法腐蝕技術(shù)6應(yīng)用熱點：主要在微機電系統(tǒng)與微流體器件制造領(lǐng)域，由于這些機構(gòu)尺寸比集成電路結(jié)構(gòu)尺寸大得多，化學(xué)濕法刻蝕能夠滿足要求，且成本大大低于干法刻蝕主要腐蝕材料：硅和二氧化硅是微機械和微流體系使用最廣泛的材料，也是半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)材料，各種化學(xué)濕法主要以腐蝕這兩種材料為主78.2.2 硅的各向異性腐蝕沿任意兩個晶格點的連線的方向稱為晶向，垂直于晶向矢量的彼此平行的平面為晶面。晶面指數(shù)以hkl來表示，晶面指數(shù)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堿類化學(xué)腐蝕液對硅的腐蝕與硅的晶面原子排

4、列情況有關(guān)，因此不同晶面方向的腐蝕速率有相當(dāng)大的差異。以常見的（100）、（110）和（111）晶面為例，他們在氫氧化鉀（KOH）中的腐蝕速率之比為（110）：（100）：（111）=400:200:1，由于晶面的夾角不同，這種依賴于晶面的腐蝕速率差異將會造成不同的腐蝕剖面結(jié)構(gòu)以100晶向的硅為例，從100方向腐蝕所得到的剖面不是垂直的，而是成54.74，這是因為111晶向與100晶向夾角為54.74，111方向的腐蝕速率遠遠低于100方向高8圖 8-2-1 單晶硅的3個晶格取向與晶面原子分布9圖 8-2-2 100晶向的各向異性腐蝕剖面10堿類腐蝕液對硅的各向異性腐蝕使控制掩模圖形變得格外困

5、難，因為最終腐蝕的圖形不一定是初始的設(shè)計圖形。對于（100）晶面的硅片，有4個（111）面與（100）面相交呈54.74夾角，且這4個（111）面彼此垂直。因此用一個矩形掩模腐蝕總是可以得到一個矩形開口，盡管矩形槽的邊壁不是垂直的，如果掩模圖形的邊緣不與晶面重合，則腐蝕所得到的圖形會偏離原來的掩模的圖形腐蝕(100）晶面硅片上的一個十字形掩模，隨著腐蝕時間的增加，腐蝕結(jié)構(gòu)越來越偏離原來的掩模圖形11圖 8-2-3 由十字形掩模得到的（100）硅片腐蝕結(jié)構(gòu)12由各向異性腐蝕方法制作凸形結(jié)構(gòu)時通常無法獲得尖角，內(nèi)角隨著腐蝕時間的增加完全消失。為了獲得尖角，要對腐蝕掩模的圖形加以補償，即留出充分的腐

6、蝕余量方形掩模設(shè)計，其中一個角增加了補償結(jié)構(gòu)，由該掩模得到的腐蝕結(jié)構(gòu)，該結(jié)果清楚地顯示了只有補償過的角保留下來，其余沒有做過補償?shù)慕嵌家蜻^腐蝕而變鈍13圖 8-2-4 掩模圖形補償技術(shù)14由于單晶硅濕法腐蝕的晶向依賴性，使掩模與晶向的對準變得十分重要。對準不好，腐蝕溝道的走向就不會沿著掩模設(shè)計的走向方向發(fā)展，而是沿著晶向的方向發(fā)展硅片的表面為（110）面，矩形掩模的長軸方向成3個不同的角度，所腐蝕形成的圖形也呈3個不同的角度，所腐蝕形成的圖形也呈3中不同的剖面結(jié)構(gòu)。值得注意的是，當(dāng)矩形掩模的長軸方向轉(zhuǎn)角35.2時，沿長軸邊緣腐蝕的邊壁是垂直的，并且掩模開口與邊緣完全吻合15圖 8-2-5 在（

7、110）晶面上不同掩模方向形成的腐蝕結(jié)構(gòu)比較16為了得到掩模與晶向的良好對準，首要問題是要預(yù)先知道硅片的晶面。一般購買到的商業(yè)硅片有兩種晶面：（100）晶面和(111)晶面硅片，它們又分為n型摻雜和p型摻雜。（100）晶面的硅片表示（100）晶面垂直于硅片表面，而（110）晶面則平行于硅片表面磨口方向。除了依賴商業(yè)標(biāo)識方法外，還可以通過實驗測量晶向，方法是按角度分布在硅片上刻蝕一系列溝槽，找出其中與硅片晶面吻合的溝槽方向作為進一步掩模對準的方向。用這種方法可以使掩模與晶面錯位小于0.0117圖 8-2-6 判別硅片晶面與摻雜種類的標(biāo)志18實現(xiàn)單晶硅的各向異性腐蝕必須用堿類化學(xué)腐蝕液。常用的堿液

8、包括氫氧化鉀（KOH）、EDP和TMAH，其中KOH最為普遍，KOH的腐蝕速率與KOH的濃度和溫度有關(guān)，KOH的腐蝕速率在20%左右濃度時達到最大值，溫度越高，腐蝕速率越高化學(xué)濕法腐蝕硅通常需要腐蝕較深的深度，所以濕法腐蝕硅技術(shù)通常又稱為硅的體微加工技術(shù)，以區(qū)別常用的面微加工技術(shù)。例如在硅表面先沉積一層支撐薄膜，例如氧化硅或氮化硅層。通過光刻和金屬溶脫剝離或刻蝕工藝制作出所需要的微結(jié)構(gòu)。然后將微結(jié)構(gòu)下面的硅襯底全部腐蝕清除，最后形成僅由薄膜支撐的微結(jié)構(gòu)另一種化學(xué)腐蝕液EDP對二氧化硅的腐蝕速率很低，一般比KOH低100倍。如果用二氧化硅做掩模，則可以用EDP做腐蝕液，EDP還有一個特點是對硅的

9、摻雜濃度特別敏感19圖 8-2-7 KOH在(100)晶面的腐蝕效率圖 8-2-8 用硅體微加工制作薄膜支撐框架的結(jié)構(gòu)20另一種硅的腐蝕液是TMAH，TMAH本身是光刻膠的一種顯影液，也廣泛用于硅的腐蝕液。TMAH對二氧化硅的腐蝕速率低，而不像EDP那樣有毒性，TMAH腐蝕表面的光滑度要比KOH腐蝕表面好10倍，是濕法腐蝕硅納米結(jié)構(gòu)的最佳堿性腐蝕液。TMAH還有一個優(yōu)點是它不含堿金屬離子，可以安全地用于集成電路制造的工藝環(huán)境21腐蝕液體：各化學(xué)濕法刻蝕本質(zhì)上講是向同性腐蝕，只有堿性溶液對單晶硅才有各向異性腐蝕的特性，而酸對硅的腐蝕是各向同性的。最常用的是氫氟酸（HF）、硝酸（ HNO3 ）與醋

10、酸（acetic acid),通常稱為HNA腐蝕機理：一般認為硝酸使硅表面氧化，然后氫氟酸將氧化部分的硅溶解，醋酸在這里主要起稀釋作用，也可以用水代替醋酸作為稀釋液3Si+4HNO33SiO2+4NO+2H20SiO2+6HFH2SiF6+2H208.2.2 硅的各向同性腐蝕22腐蝕速率：HNA對硅的腐蝕速率取決于這3種酸的混合比例，下圖是三種酸的濃度比與腐蝕速率的關(guān)系，顯然，有兩份氫氟酸與一份硝酸加少許醋酸形成的腐蝕液具有最大的腐蝕速率（240 mmin)23圖 8-2-9 HNA濃度比與腐蝕速率的關(guān)系24腐蝕液配比：下表中給出了HNA中三種酸的配比與相應(yīng)的腐蝕速率，其中HF(49%)、 H

11、NO3（70%）、醋酸（100%）為標(biāo)準商品酸表 8-2-1 硅腐蝕液的配方與腐蝕速率25掩模選擇：氫氟酸對二氧化硅有很強的腐蝕作用，即使在HNA中其腐蝕速率也在3080nmmin，因此二氧化硅不適合作為腐蝕掩模層，除非硅的腐蝕深度要求不高光刻膠承受不了像硝酸這樣的強氧化劑作用，也不適于做HNA的腐蝕掩模LPCVD形成的氮化硅薄膜在HNA中的腐蝕速率在80nmmin以下，是最好的掩模材料，另外可以用鉻模或金模作為掩模26液體流動性：化學(xué)濕法腐蝕的一個主要問題是腐蝕速率與液體流動程度有關(guān)，在腐蝕工程中充分攪拌與無攪拌所得到的腐蝕結(jié)構(gòu)會很不一樣，使精確控制腐蝕剖面變得很困難圖 8-2-10 攪拌腐

12、蝕液對腐蝕剖面的影響27二氧化硅：集成電路中制造中，二氧化硅普遍用來作絕緣膜和鈍化膜，在微系統(tǒng)技術(shù)中用來最絕緣膜之外還用來作為犧牲層材料。例如在二氧化硅上沉積一層多晶硅，用化學(xué)方法腐蝕二氧化硅，使多晶硅結(jié)構(gòu)局部懸空，形成可移動部件 腐蝕溶液：以氫氟酸為主，未稀釋的氫氟酸(49%質(zhì)量分數(shù)）的腐蝕速率可達到1.8 mmin，通常使用加緩沖劑的氫氟酸，緩沖腐蝕劑是由7份氟氨酸NH4F（40%質(zhì)量分數(shù)）與一份氫氟酸HF（49%質(zhì)量分數(shù)）混合而成。LPCVD二氧化硅的腐蝕速率可達70nm min，緩沖劑比例越高，二氧化硅腐蝕速率越低8.2.3 二氧化硅的各向同性腐蝕28圖 8-2-11 面微加工技術(shù)中的

13、二氧化硅犧牲層工藝29提高橫向腐蝕速率采用氫氯酸與氫氟酸混合液，用HF:H2O(1:1)與HF：HCl（1:1）腐蝕二氧化硅，HF:H2O的腐蝕速率為330 nm min，HF：HCl的腐蝕速率617 nm min，HF：HCl的另一個優(yōu)點是對氮化硅與多晶硅腐蝕較低，有利于保護器件結(jié)構(gòu)不受酸液腐蝕采用摻磷或摻硼的二氧化硅，又稱磷硅玻璃（phosphosilicate glass,PSG）和硼磷玻璃（boron-phosphosilicate glass,BPSG)。HF:HCl（1：1)混合液腐蝕PSG的速率為1133 nm min，而腐蝕BPSG的速率為4167 nm min30玻璃玻璃是一

14、種非晶態(tài)二氧化硅，主要應(yīng)用在微流體系統(tǒng)中，例如在玻璃表面腐蝕微流體通道，與硅的微加工過程基本一致，玻璃還含有Na2O、 CaO、 MgO 和少量Al2O3（BCl3刻蝕），他們會加快HF腐蝕速率，也使用等離子體刻蝕的方法不可行對較淺的溝道刻蝕可以選作光刻膠做掩模，若刻蝕超過1h，光刻膠會出現(xiàn)大量針孔，因此對深溝道刻蝕最好采用Cr或Au掩模腐蝕液為緩沖氫氟酸（7份NH4F與一份HF），加少量的HCl（9%）可以使腐蝕的表面更光滑，腐蝕速率可達1 mmin以上31圖 8-2-12 在HF酸中加HCl對微溝道腐蝕表面的影響 (a) 加了HCL酸(b)沒加HCl酸（CaF2)32等離子體產(chǎn)生：射頻電源

15、有陰極端經(jīng)電容耦合輸入，陽極接地。在陰極與陽極間的射頻電場作用下，空間初始的少量電子被加速獲得能量與氣體碰撞，導(dǎo)致氣體原子被電離。電離的氣體原子釋放出更多自由電子，導(dǎo)致更多氣體原子被電離，因此產(chǎn)生一種“雪崩效應(yīng)”。隨著氣體分子的大量電離氣體由最初的絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，有電流通過，并在陰極與陽極間形成電場。同時空間的自由電子也會不斷的與氣體離子碰撞復(fù)合，恢復(fù)為氣體原子。最終達到平衡空間形成等離子體，氣體離子恢復(fù)到原子態(tài)會以光子的形式釋放能量，產(chǎn)生輝光，產(chǎn)生等離子體的過程也叫輝光放電過程。8.3 反應(yīng)離子刻蝕8.3.1 反應(yīng)離子刻蝕的原理33圖 8-3-1 平板電極輝光放電系統(tǒng)與放電區(qū)電位分布

16、34反應(yīng)器組成部分：（1）真空系統(tǒng)一個密閉的反應(yīng)腔，附帶一套真空泵來實現(xiàn)壓力控制。腔內(nèi)壓力通常維持在微米汞柱范圍（2）氣體流動控制系統(tǒng)實現(xiàn)氣體的循環(huán)。將反應(yīng)的特定氣體供進來，將反應(yīng)的特定的揮發(fā)性氣體派出去（3）驅(qū)動系統(tǒng)可以采用不同的動力源，如射頻、直流、交流、或者微波（4）耦合可以有電容式或者電感式35圖 8-3-2 用于干法刻蝕的等離子反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)36刻蝕原理：（1）物理濺射（濺射鍍膜）陰極表面的負電場有利于對離子的加速。離子轟擊樣品表面清除了表面碳氫化合物污染和天然氧化層，有利于反應(yīng)氣體吸附，另一方面也對表面進行了物理刻蝕（2）離子反應(yīng)化學(xué)活性氣體的離子直接與樣品表面原子反應(yīng)，生成揮發(fā)

17、性產(chǎn)物被真空系統(tǒng)抽走（3）產(chǎn)生自由基入射離子將樣品表面吸附的化學(xué)活性分子分解為自由基（4）自由基反應(yīng)自由基在樣品表面遷移，并與表面原子反應(yīng)生成揮發(fā)性產(chǎn)物37圖 8-3-3 反應(yīng)離子刻蝕的4個基本過程離子能量：010eV物理吸附 幾個原子損傷 105000eV 離子注入或濺射38腐蝕氣體的選擇一般硅及硅化物的刻蝕氣體主要以氟化物為主族化合物材料如GaAs和Al及其化合物以氯化氣體為主，有些用氫或烷基氣體刻蝕溴化物也被用作為反應(yīng)刻蝕氣體，但鹵族氣體的化學(xué)腐蝕性按氟、氯、溴、碘排序依次增強，尤其是對真空排氣系統(tǒng)的腐蝕，所以碘及其化合物從來不用做刻蝕氣體39表 8-3-1 反應(yīng)離子刻蝕化學(xué)氣體與被刻蝕

18、的材料40腐蝕氣體的考慮反應(yīng)生成物要是揮發(fā)的，且沸騰溫度要低刻蝕金屬鉻就不能選用含氟刻蝕氣體而必須選用含氯的刻蝕氣體，因為鉻的氟化物沸騰溫度遠遠大于鉻的氯化物沸騰溫度可以將樣臺加溫，使他的溫度接近生成物沸騰溫度，刻蝕主要考慮對襯底材料的抗刻蝕比和各向異性度，其次是刻蝕速率與刻蝕均勻性光刻膠有機聚合物抗刻蝕性差，有時要用二氧化硅、氮化硅、或金屬膜做掩模，首先要用光刻膠做掩?？涛g二氧化硅、氮化硅或金屬膜，然后在以這些材料做掩?？涛g材料41表 8-3-2 某些元素的刻蝕反應(yīng)生成物沸騰溫度42刻蝕工藝參數(shù)：（1）反應(yīng)氣流速度在壓強不變的情況下，流速太快將導(dǎo)致反應(yīng)氣體分子在反應(yīng)室停留的時間縮短，以為維持

19、壓強不變意味著必須增加抽氣速率，如果等離子體的產(chǎn)生功率不變，則能夠產(chǎn)生的反應(yīng)活性離子減少，導(dǎo)致刻蝕速率下降；反之，如果流速太低，被消耗掉的反應(yīng)氣體得不到及時供給，也會使刻蝕速率降低8.3.2 反應(yīng)離子刻蝕的工藝參數(shù)43（2）放電功率增大放電功率會導(dǎo)致離子能量增加，使電離幾率增加，反應(yīng)離子產(chǎn)生速率增加，同時離子對陰極表面及樣品材料表面的轟擊增加，離子轟擊不但可以增加刻蝕速率，而且可以增強刻蝕的各向異性度，因為離子垂直刻蝕樣品表面，幾乎沒有橫向刻蝕。但由于是物理濺射，離子轟擊會增加掩模損失，降低掩模的抗刻蝕比44圖 8-3-4 樣品臺偏置電源功率的影響45（3）反應(yīng)室氣壓反應(yīng)離子刻蝕一般工作在10

20、 10 Torr范圍的低氣壓條件。在低氣壓，氣體分子密度降低，電子自由程增加，因電子在每兩次碰撞之間的加速能量增加，使電離幾率增加；離子之間離子與原子之間碰撞減少，離子對材料表面刻蝕方向性改善，即橫向刻蝕降低，使刻蝕的各向異性增強；低氣壓有利于揮發(fā)性產(chǎn)物迅速離開刻蝕表面增加反應(yīng)速率，增加刻蝕速率。 低氣壓，使離子轟擊刻蝕占主導(dǎo)地位，高氣壓離子自由程降低使化學(xué)反應(yīng)刻蝕占主導(dǎo)地位，如果氣壓太低輝光放電無法維持 46圖 8-3-5 反應(yīng)氣壓的影響47（4）樣品材料表面溫度 高溫會促進化學(xué)反應(yīng)，同時也有利于化學(xué)反應(yīng)生成的揮發(fā)性產(chǎn)物離開刻蝕表面。某些族化合物半導(dǎo)體材料必須在較高襯底溫度才能有效刻蝕，例如

21、InGaAs或GaInAsP要求襯底溫度在150C以上，不對襯底特殊加溫，被刻蝕的材料表面也會因離子轟擊自然升溫，材料表面溫度可達100200C溫度升高會使光刻膠掩模軟化變形，并且光刻膠掩模的刻蝕速率也會增加，使刻蝕的各向異性度變差?？梢圆捎醚趸杌虻枳鲅谀＃部梢詫悠放_采取冷卻措施48（5）電極材料 被刻蝕樣品放在陰極表面，陰極本身也與樣品一樣被刻蝕，陰極材料要是化學(xué)惰性的，等離子體中大量反應(yīng)活性離子將被陰極刻蝕消耗掉，使刻蝕速率降低陽極和反應(yīng)室側(cè)壁接地，陽極與側(cè)壁在離子濺射的刻蝕下形成不揮發(fā)性產(chǎn)物，這些產(chǎn)物會沉積到其他表面，包括樣品材料表面，影響對材料表面進一步刻蝕記憶效應(yīng)和交叉污染

22、，將前一次的刻蝕物帶到下一次刻蝕環(huán)境中，影響刻蝕結(jié)果，可以用氧氣或氬氣對腔體進行預(yù)刻蝕一段時間49（6）輔助氣體 鹵素氣體是反應(yīng)離子刻蝕的主要氣體，在鹵素氣體中加入少量的氧氣或氬氣會改變刻蝕效果在CF4中加入10%的氧氣會使刻蝕速率增加10倍。在CF4等離子體中，CF4分解為CF3、CF2等自由基，在空氣缺氧的情況下，CF3、CF2等自由基很容易復(fù)合形成穩(wěn)定氟化物，有氧氣存在時，阻止他們的復(fù)原，促使產(chǎn)生更多的F自由基參與反應(yīng) CF3 + CF3 C2F6 CF3 + F CF4 CF2+ OCOF+F COF+OCO2+F 刻蝕速度隨氧氣流速增加而增加，但抗刻蝕比對氧氣流速有一個最大值，然后隨

23、氧氣流速增加而大幅度降低。主要因為氧是刻蝕光刻膠的氣體，氧氣參與加速了光刻膠的刻蝕50圖 8-3-6 氧氣輔助氣體的影響51氬氣也是經(jīng)常用到的輔助性惰性氣體，氬離子不參與化學(xué)反應(yīng)刻蝕，主要起物理濺射刻蝕作用，還有穩(wěn)定等離子體放電作用SF6是一種電負性氣體，電離后對放電空間電子消耗較多，使空間電子密度下降，加入氬氣后，氬原子的電離可以提供額外的電子，有利于穩(wěn)定等離子體放電氬氣加入量有一個最佳值，過度的氬氣會稀釋化學(xué)反應(yīng)氣體濃度，同時氬離子轟擊濺射會加快掩模消耗這些因素相互依存，最佳刻蝕效果（刻蝕速率、抗刻蝕比）需要試驗摸索52各向異性度的控制比較復(fù)雜，化學(xué)活性氣體參與的刻蝕都是各向同性的，只有物

24、理濺射刻蝕才是各向異性，但會消耗掩模層，化學(xué)刻蝕對碳氫聚合物的存在非常敏感，表面有一層非常薄的碳氫聚合物薄膜也會有效阻止反應(yīng)離子的橫向刻蝕，光刻膠是碳氫聚合物，大多數(shù)離子刻蝕過程都會有碳氫聚合物產(chǎn)生，濺射到被刻蝕材料表面，形成“鈍化層”刻蝕硅中用SF6后引入CHF3氣體，刻蝕硅尖結(jié)構(gòu)，起到明顯改善刻蝕的異性度效果。用這種方法可以獲得50nm以下的硅納米線結(jié)構(gòu)，納米線深寬比50:1。物理濺射清除垂直方向的鈍化膜53圖 8-3-7 硅尖結(jié)構(gòu)刻蝕方法54（a）高CHF3氣體流速 （b）中CHF3氣體流速 （c）低CHF3氣體流速圖 8-3-8 反應(yīng)離子刻蝕硅尖形狀控制55另一種形成鈍化的方法是低溫反

25、應(yīng)離子刻蝕（cryogenic RIE)。常溫刻蝕硅時，SF6氣體與硅反應(yīng)生成SiF4揮發(fā)性產(chǎn)物并被排氣系統(tǒng)抽走，溫度低于-100 C度時，SiF4就會冷凝在樣品表面，形成1020nm厚的保護層，使F自由基與硅的反應(yīng)大大減弱，光刻膠或二氧化硅的消耗也大大減弱，各向異性度，掩?？箍涛g比同時得到改進。最佳溫度在-110 C左右，若溫度低于-140 C時，SF6氣體在樣品表面冷凝，縱向刻蝕也停止56需要和工藝：8.4 反應(yīng)離子深刻蝕大規(guī)模集成電路制造中，越來越多的器件需要高深寬比微細結(jié)構(gòu)，需要刻蝕深孔填充SiO2，深刻蝕通孔填充金屬，實現(xiàn)層與層之間的互聯(lián)，深寬比要求達10:1甚至20:1，MEMS中

26、需要刻蝕深度不是幾微米，而是幾十微米甚至幾百微米兩種技術(shù)使高深寬比的硅刻蝕稱為可能，一種是電感耦合等離子源，另一種利用刻蝕與鈍化交變過程，由羅伯特伯施（Bosch）發(fā)明，并申請專利，也叫“Bosch”工藝57電感耦合等離子體源：（induction coupling plasma)8.4.1 電感耦合等離子體系統(tǒng)反應(yīng)離子深刻蝕第一個要求是需要較高的刻蝕速率，否則刻蝕穿透500m厚的硅片需要太長時間，無法成為一種生產(chǎn)技術(shù)。傳統(tǒng)二級平行板電極系統(tǒng)隨著射頻功率的提高，等離子體密度會提高，但同時電極自偏置電壓也提高，離子轟擊樣品的能量也增加，物理濺射會使抗刻蝕比下降，ICP源解決了刻蝕速率與抗刻蝕比這

27、對矛盾電感耦合可以長時間維持等離子體區(qū)內(nèi)電子回旋運動，增加電離幾率；樣品基板獨立輸入射頻功率，產(chǎn)生的自偏置電壓可以獨立控制。58ICP源既可以產(chǎn)生很高的等離子體密度，又可以維持較低的離子轟擊能量，滿足了高刻蝕速率與高抗刻蝕比這個原來互相矛盾的要求?？涛g速率可實現(xiàn)20mmin以上，未來有可能達到50 mmin甚至 100 mmin以上；對硅與光刻膠掩模的抗刻蝕比可達100:1，對硅和二氧化硅掩模的抗刻蝕比可達200:1以上59圖 8-4-1 ICP源的結(jié)構(gòu)示意圖60微波電子回旋共振等離子體源：（ECR)微波功率通過波導(dǎo)由系統(tǒng)的頂部輸入到諧振腔體，電子在諧振腔內(nèi)隨微波的諧振而產(chǎn)生共振，并在腔體外磁

28、場的作用下回旋，通過這種方式電子獲得回旋共振能量，提高電離效率，導(dǎo)致很高的等離子體密度，樣品臺基板也是由一個單獨的射頻源輸入射頻功率，形成自偏置電壓，等離子體能量和等離子密度單獨控制，實現(xiàn)高刻蝕速率、高抗刻蝕比缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要微波功率源，存在微波諧振與樣品臺基板射頻源匹配的問題，ICP源的出現(xiàn)取代了ECR源61圖 8-4-2 ECR源的結(jié)構(gòu)示意圖628.4.2 Bosch （伯施）工藝反應(yīng)離子深刻蝕第二個要求是需要極好的各向異性，即刻蝕的邊壁垂直。否則刻蝕越深，刻蝕圖形與設(shè)計圖形的偏差越大?；瘜W(xué)刻蝕本質(zhì)上是各向同性的，對碳氫聚合物的存在非常敏感，為阻止或減弱邊壁刻蝕，只有設(shè)法向刻蝕側(cè)向邊壁

29、沉積一層抗刻蝕薄膜，這就是“Bosch”工藝。通過交替轉(zhuǎn)換刻蝕氣體與鈍化氣體實現(xiàn)刻蝕與邊壁鈍化，其中刻蝕氣體為SF6，鈍化氣體C4F8。 C4F8在等離子體中能夠形成氟化碳類聚合物，它沉積在硅表面能夠阻止氟離子與硅的反應(yīng)?？涛g與鈍化每515s轉(zhuǎn)化一個周期。63深度方向上有離子的物理濺射轟擊，鈍化膜被剝離，是化學(xué)反應(yīng)離子刻蝕可以進一步發(fā)生，但側(cè)壁方向不受離子濺射，鈍化膜得以保留下來在表面1%暴露刻蝕面積的情況下刻蝕速率可以達到50m min ,在表面20%暴露情況下刻蝕速率可以達到30 m min ，硅與光刻膠的抗刻蝕比大于300:1,刻蝕深度比大于100:1.64表 8-4-1 典型的“Bos

30、ch”工藝參數(shù)65在Bosch工藝中由于刻蝕與鈍化的互相轉(zhuǎn)換，而每一步刻蝕都是各向同性的，依次造成了刻蝕邊壁的波紋效應(yīng)。邊壁波紋可形成高達100nm以上的粗糙度。通過縮短刻蝕與鈍化周期可以減弱這種波紋效應(yīng)，實現(xiàn)了70m深的邊壁表面波紋起伏小于20nm也可以在刻蝕后進行化學(xué)濕法拋光腐蝕，例如將刻蝕樣品放入KOH+IPA混合腐蝕液中短暫時間，將表面波紋起伏腐蝕平滑低溫刻蝕沒有氣體轉(zhuǎn)化過程，不會形成所謂“波紋”效應(yīng)，低溫刻蝕與“Bosch”刻蝕的主要區(qū)別僅在于一個需要低溫冷卻樣品基板，另一個需要氣體轉(zhuǎn)化，可以再一臺ICP刻蝕系統(tǒng)上同時實現(xiàn)兩種刻蝕方式66圖 8-4-3 “Bosch”工藝形成的邊壁波

31、紋67圖 8-4-5 KOH+IPA腐蝕過后的圖形68圖 8-4-6 KOH+IPA腐蝕提高了邊壁的光滑度(1 1 0) (1 0 0) (111)(1 0 0) (1 1 0) (111) 5, 2123698.4.3 納米機構(gòu)的深刻蝕Bosch工藝形成的邊壁波紋在大多數(shù)情況下，尤其對于MEMS的應(yīng)用，并不會造成影響，因為MEMS器件的結(jié)構(gòu)一般都在數(shù)十微米以上；但如果刻蝕結(jié)構(gòu)的深度在100nm或100nm以下邊壁波紋會對刻蝕結(jié)構(gòu)本身造成嚴重影響，影響壓印后的脫模采用特氟龍涂層的樣品臺，或干脆不做氣體轉(zhuǎn)換直接混合進行刻蝕，或者采用低溫刻蝕還可以采用非氣體轉(zhuǎn)化深刻蝕工藝，包括HBr、SF6+C4

32、F8、SF6+O2過合氣體的低溫刻蝕工藝。16nm硅線結(jié)構(gòu)代表深刻蝕技術(shù)的目前水平70圖 8-4-7 Bosch工藝微刻蝕形成的納米結(jié)構(gòu)71圖 8-4-8 用SF6+C4F8刻蝕硅納米線結(jié)構(gòu)72（1）負載效應(yīng)8.4.3 反應(yīng)離子深刻蝕工藝中存在的問題負載效應(yīng)是指局部刻蝕氣體的消耗大于供給引起的刻蝕速率下降或分布不均勻效應(yīng)。包括3種：宏觀負載效應(yīng)、微觀負載效應(yīng)、以及與深寬比有關(guān)的負載效應(yīng)宏觀負載效應(yīng)是因刻蝕總面積的增加而導(dǎo)致的整體刻蝕速率的下降，如在刻蝕面積僅占樣品總體面積1%時，刻蝕速率50m min,刻蝕面積占總體面積20%時，最高刻蝕速率30 m min微觀負載效應(yīng)是指同一設(shè)計圖案內(nèi)圖形密

33、度不同導(dǎo)致刻蝕速率不同，在圖形密集區(qū)域刻蝕深度小于圖形稀疏區(qū)域，造成樣品整體刻蝕深度不均勻73與刻蝕深寬比相關(guān)的負載效應(yīng)主要是因為高深寬比結(jié)構(gòu)的圖形隨著刻蝕深度的增加，刻蝕表面的有效反應(yīng)成分更新困難。因為必須是刻蝕生成的揮發(fā)成分必須從深溝槽或深孔中排出，并使充足的有效反應(yīng)成分進入深槽或深孔，所以與刻蝕深寬比相關(guān)的負載效應(yīng)又被稱為RIE滯后效應(yīng)或孔徑效應(yīng)傳統(tǒng)反應(yīng)離子刻蝕也會有上面的問題，但以深刻蝕嚴重。一般可以采取高抽真空系統(tǒng)，稀釋反應(yīng)氣體或脈沖式等離子體可以在某種程度上緩解負載效應(yīng)，目的是快速移走反應(yīng)生成物或減小表面有效反應(yīng)成分不均勻性；還可以增加一些無用圖形平衡圖形密度分布；還可以調(diào)整工藝參

34、數(shù)滿足關(guān)鍵圖形刻蝕要求，允許非關(guān)鍵圖形刻蝕精度有所差異74圖 8-4-9 反應(yīng)離子深刻蝕中的負載效應(yīng)75（2）微溝槽效應(yīng)微溝槽效應(yīng)是指深刻蝕中邊角的刻蝕深度大于中心部分刻蝕深度的一種表現(xiàn)。是由高能離子在刻蝕結(jié)構(gòu)的側(cè)壁下滑并直接轟擊濺射側(cè)壁的邊角造成的。由于側(cè)壁表面近于垂直的角度，小角度掠射到側(cè)壁的離子會被直接反射到側(cè)壁底部的邊角，形成一種聚焦效應(yīng)，使側(cè)壁邊角的刻蝕速率額外增強刻蝕深度越深側(cè)壁現(xiàn)象越明顯；刻蝕側(cè)壁的負電荷積累也會加重微溝槽效應(yīng)。向刻蝕表面噴射電子，例如用寬束電子輻照樣品表面，可以在某種程度上中和刻蝕表面的電荷分布不均，達到減小微溝槽效應(yīng)的效果76圖 8-4-10 形成微溝槽的機理

35、77圖 8-4-11 微溝槽效應(yīng)與加入電子中和后的結(jié)果（a）深刻蝕中微溝槽效應(yīng)（b）加入電子中和后的結(jié)果78（2）缺口效應(yīng)缺口效應(yīng)是發(fā)生在刻蝕SOI（silicon on insulator)硅片時發(fā)生的一種現(xiàn)象。SOI由兩層單晶硅中間夾一層二氧化硅通過硅片鍵合技術(shù)形成的。底層的硅單晶作為襯底層，又稱“把手層”頂層的硅單晶叫器件層刻蝕速率快的圖形在刻蝕到二氧化硅隔離層后并沒有完全停止，而是繼續(xù)沿著二氧化硅隔離層表面橫向方向刻蝕，形成所謂“缺口”效應(yīng)發(fā)生缺口效應(yīng)的原因是離子在二氧化硅絕緣層表面積累形成一個局部的正電場，這個局部的正電場將入射離子向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，造成對界面處硅層的刻蝕解決方法可將局部正

36、電荷移走，或者降低刻蝕樣品臺偏置電壓的頻率，使積累的正電荷在偏置電壓關(guān)段區(qū)有時間逸散79圖 15 缺口效應(yīng)和金屬夾層charge relaxation80圖 18 SAMI（self-aligned metal inerlayer)過程81圖 8-4-12 微溝刻蝕結(jié)果比較Without a self-aligned metal interlayerWith a self-aligned metal interlayer82圖 8-4-13 樣品臺采用低頻電壓微溝槽刻蝕結(jié)果Low-frequency substrate bias 380 kHz, pulsed at 40 Hz and 50%

37、 duty cycle83（2）離子損傷效應(yīng)反應(yīng)離子刻蝕中總是有一部分離子在陰極電場加速下轟擊刻蝕表面，一方面起到濺射刻蝕作用，另一方面也會對刻蝕表面載流子分布及晶格結(jié)構(gòu)造成損傷離子能量在50500eV左右，大多數(shù)離子在樣品表面的穿透深度只有幾納米，但樣品若是低晶面指數(shù)表面，離子會由于溝道效應(yīng)進入樣品深層，形成對載流子的陷阱，或造成晶格缺陷或雜質(zhì)，使高遷移率晶體管載流子濃度和遷移率發(fā)生變化單晶材料可以通過退火工藝消除，但不適用于族化合物半導(dǎo)體，高溫會使他們分解。最好的解決辦法就是降低離子能量，ICP系統(tǒng)可以單獨控制陰極偏壓，降低離子能量，但同時也會影響到刻蝕速率、抗刻蝕比、刻蝕各向異性度等84

38、圖 8-4-14 離子損傷效應(yīng)對樣品的影響SF6:N2 = 30:30 sccm, 20 W, 15 mTorr, 30 C, DC bias 70 V（4%和11.2%）858.5 等離子體刻蝕反應(yīng)離子刻蝕并不等同于等離子體刻蝕(plasma etch),純的等離子體刻蝕主要是化學(xué)刻蝕，被刻樣品放在陽極表面，陽極表面電場很弱，離子轟擊濺射效應(yīng)可忽略不計純等離子系統(tǒng)除平板電極結(jié)構(gòu)外，還有筒桶形反應(yīng)器刻蝕系統(tǒng)（barrel etcher)，等離子體在筒形空間產(chǎn)生，通過反應(yīng)壁上的電極耦合到反應(yīng)器空間，被刻蝕樣品放置在等離子空間，樣品表面沒有任何電場形成，因而也就不存在離子轟擊效應(yīng)可以放置多片硅片，

39、作為表面干法清洗工藝，非圖形轉(zhuǎn)移類刻蝕，例如清除光刻膠涂層。還可以用于清除犧牲層，例如二氧化硅層、PMMA或光刻膠層，濕法腐蝕液體張力會使微結(jié)構(gòu)黏附在襯底表面，導(dǎo)致器件失效。已成功用于制作空氣橋微結(jié)構(gòu)和微懸臂梁結(jié)構(gòu)86圖 8-5-1 筒形等離子體刻蝕系統(tǒng)的橫截面示意圖87圖 8-5-2 空氣橋結(jié)構(gòu)工藝流程88圖 8-5-3 微懸臂梁結(jié)構(gòu)High power RF MEMS switch configuration: a matrix of cantilever switch898.6 離子濺射刻蝕離子濺射刻蝕是純粹的物理過程，氬氣是常用的離子源氣體，等離子體濺射效率低，或刻蝕速率低，一般不用來

40、作刻蝕工具，而是作為薄膜沉積工具，如等離子體濺射鍍膜離子束濺射刻蝕又稱為“離子束銑”，與等離子刻蝕不同的是將等離子體的產(chǎn)生區(qū)和刻蝕區(qū)分開，熱陰極發(fā)射電子通過陽極加速獲得足夠能量，與氣體分子碰撞產(chǎn)生電離，形成等離子體。等離子體區(qū)的離子通過加速電極引出，轟擊到樣品表面如果樣品為絕緣材料，則正離子轟擊會積累電荷形成表面正電場，對離子產(chǎn)生排斥作用，可以在樣品架附近加裝一個熱陰極，叫做中性化陰極，其發(fā)射的電子能夠被樣品表面的正電場吸引而中和因離子積累形成的正電場因此離子束濺射可以刻蝕導(dǎo)電材料或絕緣材料90圖 8-6-1 離子束刻蝕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖91表 8-6-1 一些材料的離子濺射刻蝕速率92（1）離

41、子束濺射對材料沒有選擇性，掩模消耗速度很快以此刻蝕深度有限離子束濺射技術(shù)中需要注意的三點光刻膠有較高的離子濺射速率，并不是最合適的掩模材料，但如果在刻蝕室中引入化學(xué)活性氣體，則不僅可以改善抗刻蝕比而且可以改善刻蝕速率例如刻蝕氧化鉿(HfO2）材料中加入CHF3氣體（Ar:CHF3=1:2）不但使氧化鉿的刻蝕速率增加，而且使光刻膠掩模的刻蝕速率降低加入化學(xué)活性氣體后的離子束濺射刻蝕變成了反應(yīng)離子束濺射刻蝕（reactive ion beam etching,RIBE),需要注意的是RIBE并不等同于RIE，因為化學(xué)活性氣體不是以反應(yīng)離子的形式參與刻蝕，而是吸附在刻蝕表面，參與表面化學(xué)反應(yīng)93圖

42、8-6-2 有無CHF3氣體的氬離子束濺射刻蝕速率比較94（2）小面現(xiàn)象由于離子濺射對掩模的過渡消耗，掩模厚度隨著刻蝕深度的增加而減薄，掩模的形狀也隨著離子束的濺射而變形，因為尖角處的掩?？偸亲羁煜牡?，掩模下的刻蝕結(jié)構(gòu)也隨之改變形狀，形成所謂“小面”現(xiàn)象小面現(xiàn)象在以光刻膠為掩模的情況下最為嚴重，因為光刻膠層必須很厚才能阻擋離子束濺射對掩模的過度消耗。以硬質(zhì)材料如鎢做掩模層會大大減輕小面現(xiàn)象，但硬質(zhì)材料需要額外的光刻與刻蝕工序，使圖像轉(zhuǎn)移復(fù)雜化反應(yīng)95（3）濺射與離子轟擊角度有關(guān)離子濺射產(chǎn)額在傾斜角度最大，因此在離子束濺射系統(tǒng)刻蝕中，樣品總是傾斜放置的，為了得到均勻濺射，樣品架本身除了傾斜之外

43、還繞中心軸旋轉(zhuǎn)（4）濺射產(chǎn)物會再次沉積到濺射系統(tǒng)的各個部分樣品在刻蝕中傾斜和旋轉(zhuǎn)能夠有效清除邊壁上的二次沉積層引入化學(xué)活性氣體，例如在離子束濺射刻蝕氧化鉿（HfO2）中引入CHF3氣體。CHF3氣體并不能導(dǎo)致濺射刻蝕產(chǎn)物成為揮發(fā)性產(chǎn)物，但因引入CHF3氣體而產(chǎn)生的濺射刻蝕產(chǎn)物卻可以用HCl腐蝕溶解，而HCl對氧化鉿結(jié)構(gòu)物任何傷害96圖 8-6-3 離子束濺射刻蝕中的小面現(xiàn)象978.7 反應(yīng)氣體刻蝕前面介紹的干法刻蝕都是利用等離子體中的離子，或者直接物理濺射刻蝕，或者化學(xué)反應(yīng)刻蝕。反應(yīng)氣體刻蝕則不需要任何形式的等離子體。利用二氟化氙（XeF2）在氣態(tài)可以直接與硅生成揮發(fā)性產(chǎn)物SiF4，可對硅表面

44、進行各向同性刻蝕 XeF2+Si 2Xe（氣態(tài)）+SiF4（氣態(tài)）XeF2在常溫常壓下成白色固體粉末狀態(tài)，但蒸汽壓很低（約3.3Torr，25 C），在14Torr的低真空下升華為氣態(tài)。所以，這種氣象刻蝕不需要等離子體，只需要一個真空容器和排氣系統(tǒng)98（1）XeF2只對硅起化學(xué)腐蝕作用，因此有非常高的抗刻蝕比（2） XeF2刻蝕硅的速度一般在13mmin。刻蝕速率與硅的晶向或摻雜無關(guān)，刻蝕深度只與時間有關(guān)（3） XeF2刻蝕是完全各向同性刻蝕，而且橫向鉆蝕(undercut)能力特別強，使之成為清除犧牲層、制作懸掛式微機構(gòu)的有效方法（4） XeF2刻蝕的表面非常粗糙，其表面粗糙度可達數(shù)微米以上

45、。通過與其他鹵素氣體的混合使用可以改善表面刻蝕粗糙度，例如將BrF3和ClF3加入到XeF2氣氛中能夠得到光滑表面XeF2氣相刻蝕硅有以下優(yōu)點99供氣方式XeF2氣相刻蝕可以通過兩種方式實現(xiàn)，一種是脈沖式供氣方式，另一種是恒流供氣方式。脈沖式供氣方式，首先將樣品空間抽真空至20mTorr左右，然后通入XeF2蒸氣，待腔體氣壓達到1.4Torr時關(guān)上進氣閥，反應(yīng)20s后，打開抽氣閥將真空恢復(fù)至20mTorr，然后進行下一周期的進氣恒流供氣方法則是利用節(jié)流閥將樣品空間內(nèi)的XeF2氣壓控制在1.4mTorr左右，直到所需要的刻蝕時間達到后關(guān)上進氣閥100表 8-7-1 XeF2對幾種常用掩模材料抗刻

46、蝕比101圖 8-7-1 XeF2的鉆蝕作用1028.8 其他物理刻蝕技術(shù)除了以上利用離子的物理刻蝕技術(shù)之外，一些傳統(tǒng)的加工技術(shù)如激光加工、電火花加工和噴粉加工也經(jīng)過改進被用來進行微細加工8.8.1 激光微加工技術(shù)激光加工已經(jīng)是一種成熟的加工技術(shù)，長期以來廣泛用于電子工業(yè)和機械制造業(yè)，如切割、劃片、打孔、打標(biāo)、焊接、表面處理等、可加工材料包括金屬、陶瓷、玻璃、聚合物材料、金剛石或碳化硅等傳統(tǒng)激光加工103傳統(tǒng)激光加工是一種基于熱效應(yīng)的加工方法，即高能量密度的激光束使工件表面局部升溫、熔化至汽化來逐層移走材料，熱加工不可避免會帶來加工表面和邊緣因熱灼形成的粗糙不平，對宏觀材料來說也許不算什么，但

47、對微加工來說是該技術(shù)的一個主要缺陷基于熱效應(yīng)的激光加工不但加工深度有限制（一般在0.51mm左右）加工橫向尺寸也有限制，因為激光本身的波長限制了能夠得到的分辨率104圖 8-8-1 激光束在1mm厚鎳鐵合金上加工制作的25m的溝槽105激光冷加工可以避免因熱熔帶來的一系列問題，可以實現(xiàn)冷加工的有準分子激光對聚合物材料和某些陶瓷材料的加工準分子激光加工的短波長光子能量能夠引起某些聚合物分子的光化學(xué)反應(yīng)，擊斷聚合物分子長鏈，直接生成汽化產(chǎn)物，而不經(jīng)過熱熔階段，形成一種所謂“激光刻蝕”（ablation)。激光剝蝕在加工表面不引起灼燒現(xiàn)象，可以形成平整的加工表面和邊緣準分子激光器由于波長短，光學(xué)分辨

48、率高，因而可以進行高精度微細加工。聚合物材料本身并不是一種用途很廣范的功能材料，因此以激光加工形成聚合物結(jié)構(gòu)通常只是作為中間過渡結(jié)構(gòu)，通過電鍍將聚合物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為金屬結(jié)構(gòu)，這一技術(shù)可以成為激光LIGA技術(shù)準分子激光加工106圖 8-8-2 由準分子激光刻蝕形成的微細結(jié)構(gòu)107圖 8-8-3 由準分子激光加工光熱驅(qū)動器單層高密度聚乙烯（HDPE）（ single-layer high-density polyethylene）1500m-length 250 m-width 40 m-thickness108激光加工技術(shù)方面的一個令人矚目的發(fā)展是具有飛秒脈寬的藍寶石激光的應(yīng)用。飛秒激光的脈沖寬度或每一個脈沖的持續(xù)時間在飛秒量級，而傳統(tǒng)的脈沖寬度在納秒量級，飛秒脈沖對材料表面的輻射時間如此之短，以至于激光能量沒有時間轉(zhuǎn)化為熱量擴散到相鄰區(qū)域。直接由固態(tài)轉(zhuǎn)化為等離子體態(tài)，并爆發(fā)式逸出材料表面，沒有熱熔過程，因此飛秒加工也是冷加工飛秒激光加工109圖 8-8-4 納米激光與飛秒激光在不銹鋼表面打孔比較110圖 8-8-5 飛秒激光加工微結(jié)構(gòu)(a)不銹鋼薄片上深孔（b)