CWINDOWSmicrosystemsCDMEMSEXE实用学习教程.pptx

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1、对刻蚀加工方法的基本要求对刻蚀加工方法的基本要求第1页/共28页刻蚀加工表面形貌刻蚀加工表面形貌第2页/共28页第3页/共28页各种刻蚀加工方法概述各种刻蚀加工方法概述第4页/共28页各种干法刻蚀加工方法列表各种干法刻蚀加工方法列表第5页/共28页各种干法刻蚀加工方法列表各种干法刻蚀加工方法列表第6页/共28页物理刻蚀物理刻蚀-溅射腐蚀和离子铣蚀溅射腐蚀和离子铣蚀(Sputter etching&Ion Milling)溅射腐蚀和离子铣蚀都是利用放电时所产生的高能（溅射腐蚀和离子铣蚀都是利用放电时所产生的高能（500eV）惰惰性气体离子（如性气体离子（如Ar+）对材料进行物理轰击，即气体放电把

2、能量提供给轰对材料进行物理轰击，即气体放电把能量提供给轰击粒子，使它们以高速运动与衬底相碰撞，这时，能量通过弹性碰撞传递击粒子，使它们以高速运动与衬底相碰撞，这时，能量通过弹性碰撞传递给衬底原子，当这能量超过结合能时就能撞出衬底原子，由于这种腐蚀是给衬底原子，当这能量超过结合能时就能撞出衬底原子，由于这种腐蚀是通过动量向衬底原子转移而实现的，所以溅射或离子腐蚀的速率与轰击粒通过动量向衬底原子转移而实现的，所以溅射或离子腐蚀的速率与轰击粒子的动量、通量密度及入射角有关。此外，还与靶（衬底）的溅射效率有子的动量、通量密度及入射角有关。此外，还与靶（衬底）的溅射效率有关。溅射效率关。溅射效率(或产额

3、或产额)是给定材料的特征参数，定义为单位入射轰击粒子是给定材料的特征参数，定义为单位入射轰击粒子从衬底撞出的原子数。溅射效率可查表。从衬底撞出的原子数。溅射效率可查表。溅射腐蚀溅射腐蚀与与离子铣蚀离子铣蚀的区别在于：若腐蚀过程是在平板式溅射系统的区别在于：若腐蚀过程是在平板式溅射系统或反应离子腐蚀器中完成的，就称作溅射腐蚀。离子束铣蚀是指在一个系或反应离子腐蚀器中完成的，就称作溅射腐蚀。离子束铣蚀是指在一个系统中离子的形成、离子加速系统与被腐蚀的材料分开放置的一种方法。离统中离子的形成、离子加速系统与被腐蚀的材料分开放置的一种方法。离子铣蚀系统可以直接控制轰击材料表面的离子入射角。而在普通的溅

4、射设子铣蚀系统可以直接控制轰击材料表面的离子入射角。而在普通的溅射设备中，离子是受内备中，离子是受内建电建电场的驱动垂直入射的场的驱动垂直入射的。离子束铣蚀系统的适用性较离子束铣蚀系统的适用性较强，并易于操作；它既能用于腐蚀半导体，也能用于腐蚀绝缘体；只要分强，并易于操作；它既能用于腐蚀半导体，也能用于腐蚀绝缘体；只要分别调节灯丝电流和加速电压，就可以独立地控制离子能量及离子密度。别调节灯丝电流和加速电压，就可以独立地控制离子能量及离子密度。虽虽然然溅溅射射腐腐蚀蚀和和离离子子束束铣铣蚀蚀都都具具有有高高的的分分辨辨率率，但但它它们们的的共共同同缺缺点点是选择性不够好。是选择性不够好。第7页/

5、共28页离子束刻蚀或离子束铣离子束刻蚀或离子束铣装装 置置(equipment for Ion beam etching or Ion beam milling)第8页/共28页 装置需要三极的配置，气体获得能量而电离与离子加速分别用不同的装置需要三极的配置，气体获得能量而电离与离子加速分别用不同的电极进行，为了能够刻蚀绝缘体，还可以另外设立一个热阴极释放电子以使电极进行，为了能够刻蚀绝缘体，还可以另外设立一个热阴极释放电子以使阳离子中性化。阳离子中性化。IBE通常使用惰性气体通常使用惰性气体Ar作为作用物质，因为它不仅溅射产作为作用物质，因为它不仅溅射产额高额高(重离子重离子)，同时可以避免

6、化学反应。在溅射腔中真空度高达，同时可以避免化学反应。在溅射腔中真空度高达10-4 Torr，所以自由程大。放电电压一定要高于气体的电离电势所以自由程大。放电电压一定要高于气体的电离电势(比如对于比如对于Ar来说使来说使15.7eV)，并且实际上通常使电离电势的数倍，大约并且实际上通常使电离电势的数倍，大约40-50V以获得稳定的辉以获得稳定的辉光放电。然后离子倍导向加速电极，加速后成离子束射向下部腔体并刻蚀样光放电。然后离子倍导向加速电极，加速后成离子束射向下部腔体并刻蚀样品。一般用品。一般用1-keV能量能量1.0mA/cm2束流密度的束流密度的Ar离子束、对大部分材料离子束、对大部分材料

7、(比比如硅、氧化物、氮化物、光刻胶和金属等如硅、氧化物、氮化物、光刻胶和金属等)刻蚀率多在刻蚀率多在100-3000A/min。惰惰性气体离子束刻蚀的分辨率可以高达性气体离子束刻蚀的分辨率可以高达100A。磁加强的磁加强的IB(MIB)、等离子体中的离子密度被磁场加强、荷电粒子不能等离子体中的离子密度被磁场加强、荷电粒子不能直接从一个电极到达另外一个电极、而是在电磁场作用下作曲线运动、增加直接从一个电极到达另外一个电极、而是在电磁场作用下作曲线运动、增加了碰撞几率。比如经过计算、了碰撞几率。比如经过计算、100-eV电子电子0.01Tesla(100Gauss)磁场中的磁场中的回旋半径为回旋半

8、径为3.2mm。此时粒子浓度提高此时粒子浓度提高2个数量级。个数量级。如果上述系统中如果上述系统中Ar改成反应气体、则是改成反应气体、则是RIBE、其中不仅物理碰撞而且其中不仅物理碰撞而且包含化学反应。稍后将会解释。包含化学反应。稍后将会解释。IBE通常通常1.5keV能量、电流密度能量、电流密度25mA/cm2束径束径3-8cm。FIB则可以则可以作直接描画。作直接描画。第9页/共28页物理刻蚀的型貌改变物理刻蚀的型貌改变 理想的情况是膜版的形状被准确的复制到样品表面、各向同性刻蚀总是理想的情况是膜版的形状被准确的复制到样品表面、各向同性刻蚀总是会扩大形状。化学各向异性刻蚀蚀利用晶向选择性、

9、所以只有准确与晶向对会扩大形状。化学各向异性刻蚀蚀利用晶向选择性、所以只有准确与晶向对准才能得到准确的形状、利用粒子溅射可以用等离子体状态来控制各向异性准才能得到准确的形状、利用粒子溅射可以用等离子体状态来控制各向异性刻蚀。刻蚀。但是溅射也会因实际情况存在型貌精度问题。但是溅射也会因实际情况存在型貌精度问题。第10页/共28页第11页/共28页由于溅射率角度依存性导致斜面化由于溅射率角度依存性导致斜面化 即使开始时光刻胶是垂直壁，也会有在胶边缘产生斜面的倾向。实际上即使开始时光刻胶是垂直壁，也会有在胶边缘产生斜面的倾向。实际上胶边缘总是会成图示圆角，圆角处刻示率较高所以消耗快，原因是入射角胶边

10、缘总是会成图示圆角，圆角处刻示率较高所以消耗快，原因是入射角60度时刻蚀率比正入射高度时刻蚀率比正入射高1倍。经过图示几个阶段的变化，最后影响得到的样倍。经过图示几个阶段的变化，最后影响得到的样品型貌。品型貌。Ditching现象现象 当光刻胶侧面不垂直于样品表面时当光刻胶侧面不垂直于样品表面时(经常会这样经常会这样)，粒子在侧面的掠射会，粒子在侧面的掠射会导致根部刻蚀速度快的问题。当然据估计只有导致根部刻蚀速度快的问题。当然据估计只有5%，所以在刻蚀深度不太大的，所以在刻蚀深度不太大的情况下不会太严重。情况下不会太严重。Redeposition现象现象 第12页/共28页第13页/共28页第

11、14页/共28页物理刻蚀总结物理刻蚀总结在物理刻蚀中，包括离子刻蚀或溅射和离子束刻蚀，在物理刻蚀中，包括离子刻蚀或溅射和离子束刻蚀，Ar离离子等惰性气体被电离后在电场中加速后导向衬底实现刻蚀。能量高子等惰性气体被电离后在电场中加速后导向衬底实现刻蚀。能量高适用面广、但选择性差、刻蚀率在每分钟数百唉适用面广、但选择性差、刻蚀率在每分钟数百唉(比比RIE每分钟数千每分钟数千唉到唉到6um每分要慢每分要慢)。需要注意的问题有。需要注意的问题有Facets、ditching和和redeposition。由于能量高、所以有时会有结构的轰击损伤、但一由于能量高、所以有时会有结构的轰击损伤、但一般热处理可以

12、消除。随着器件复杂化、包含各种化学成分、惰性离般热处理可以消除。随着器件复杂化、包含各种化学成分、惰性离子刻蚀或离子束溅射刻蚀会更加重要。子刻蚀或离子束溅射刻蚀会更加重要。第15页/共28页化学干刻蚀化学干刻蚀(等离子体刻蚀等离子体刻蚀)第16页/共28页第17页/共28页 等离子体腐蚀设备可分为圆筒式和平板式（又叫二极管式）两种等离子体腐蚀设备可分为圆筒式和平板式（又叫二极管式）两种。在在等等离离子子腐腐蚀蚀过过程程中中，反反应应气气体体（如如CF4）在在高高频频或或直直流流电电场场中中受受到到激激发发并并分分解解（如如形形成成F*），然然后后与与被被腐腐蚀蚀的的材材料料起起反反应应形形成成

13、挥挥发发性性物物质（如质（如SiF4）,再由抽气泵排出去。再由抽气泵排出去。在在平平板板式式等等离离子子腐腐蚀蚀设设备备中中，通通过过调调整整射射频频功功率率、腐腐蚀蚀气气体体流流量量及及反反应应室室压压力力，可可以以减减小小腐腐蚀蚀速速率率的的径径向向依依赖赖性性，所所以以可可用用于于高高分分辨辨率率腐腐蚀。平板系统有如下优点：蚀。平板系统有如下优点：（1）两两块块基基板板形形状状基基本本对对称称，面面积积基基本本相相等等（其其电电极极面面积积与与基基板板表表面面面面积积之之比比较较溅溅射射腐腐蚀蚀或或反反应应离离子子腐腐蚀蚀系系统统更更接接近近1），等等离离子子体体边边界界与与接接地地平平

14、板板间间的的电电压压降降较较小小（约约100V），腐腐蚀蚀主主要要是是化化学学反反应应过过程程，选选择择性性较较好好。（2）由由于于两两块块平平行行电电极极的的间间距距可可调调得得很很近近，平平板板间间电电场场与与等等离离子子体体的的浓浓度均匀，所以，度均匀，所以，腐蚀均匀性好腐蚀均匀性好。第18页/共28页在在等等离离子子体体腐腐蚀蚀工工艺艺中中，一一般般用用CF4 作作为为腐腐蚀蚀气气体体。在在放放电电过过程程中中，CF4解解离离成成F*和和CF3、CF2和和CF等等，氟氟游游离离基基F*化化学学活活性性最最高高，很很容容易易与与多多晶晶硅硅、Si3N4和和SiO2等物质发生化学反应，其反

15、应过程如下：等物质发生化学反应，其反应过程如下：CF4CF3+F*CF3CF2+F*CF2CF+F*Si+4F*Si F4Si O2+4F*Si F4+O2Si N4+12F*3Si F4+2N2通通过过CFx(x3)与与SiO2及及 Si3N4的的反反应应速速率率较较与与Si的的反反应应速速率率快快。表表7.3和和表表7.4分分别别给出了腐蚀给出了腐蚀Si和和 SiO2常用的气体。常用的气体。第19页/共28页第20页/共28页非等离子体气相腐蚀非等离子体气相腐蚀(XeF2)利用利用XeF2对对Si进行刻蚀不需要产生等离子体。进行刻蚀不需要产生等离子体。XeF2可是白色固体，在可是白色固体，

16、在常温下的饱和蒸汽压是常温下的饱和蒸汽压是4Torr。可以稳定地刻蚀可以稳定地刻蚀Si,刻蚀在常温下进行，用机刻蚀在常温下进行，用机械泵抽到械泵抽到1-4Torr。有报导称其刻蚀率高达有报导称其刻蚀率高达10um/min,实际上典型的刻蚀率实际上典型的刻蚀率1-3um/min。对对SiO2、Si3N4、Al和和Photoresist都有非常好的选择性。设备简都有非常好的选择性。设备简单。单。以下是一个多晶硅加速度传感器的例子，刻蚀是几乎各向同性的，刻蚀以下是一个多晶硅加速度传感器的例子，刻蚀是几乎各向同性的，刻蚀后的表面粗躁度是几个微米，刻蚀后后的表面粗躁度是几个微米，刻蚀后Al的电导率没有受

17、到影响。的电导率没有受到影响。第21页/共28页第22页/共28页物理物理-化学干刻蚀化学干刻蚀最好用的干刻蚀既不是纯化学也不是纯物理方式，将物理作用加到纯化学最好用的干刻蚀既不是纯化学也不是纯物理方式，将物理作用加到纯化学刻蚀机理中就可以克服纯溅射和纯化学反应刻蚀的缺点。刻蚀机理中就可以克服纯溅射和纯化学反应刻蚀的缺点。在化学在化学-物理技术中，有以下几中离子表面作用被用来改善干法刻蚀性能。物理技术中，有以下几中离子表面作用被用来改善干法刻蚀性能。RIBE离离子是反应性的，直接刻蚀表面子是反应性的，直接刻蚀表面;CAIBE-。RIBE比比IBE刻蚀率刻蚀率高，比如用高，比如用Ar刻刻Si只有

18、只有100A/min，而用而用CCl2F2刻可达到刻可达到2000A/min。第23页/共28页第24页/共28页反应气体反应气体+阳阳离子轰击时离子轰击时Si和和SiO2的形状的形状变化。变化。第25页/共28页ICP电感耦合等离子体刻蚀电感耦合等离子体刻蚀 ICP通过将用来产生离子通过将用来产生离子的电子耦合到的电子耦合到RF电场形成电场形成的磁场中的方法，生成高密的磁场中的方法，生成高密度、低压和低能量的等离子度、低压和低能量的等离子体。使用含体。使用含F气体、对气体、对Si刻刻蚀率达到每分钟蚀率达到每分钟6um、5%的均匀性，同时的均匀性，同时Si:SiO2刻刻蚀率比达到蚀率比达到150:1(用用-100冷却基板，一方面提高选择冷却基板，一方面提高选择性，另一方面提高高宽比性，另一方面提高高宽比),侧面倾斜角小于侧面倾斜角小于1度。这里度。这里基板低温化蚀重要因素。基板低温化蚀重要因素。ICP在一定意义上算是在一定意义上算是低成本低成本LIGA。第26页/共28页第27页/共28页感谢您的欣赏！第28页/共28页