薄膜的图形化技术.ppt

薄膜材料与纳米技术Thin Film Materials&Nanotechnology,北京科技大学材料科学学院 唐伟忠Tel:6233 2475 E-mail:课件下载网址：下 载 密 码：123456,第八讲,薄膜材料的图形化 Patterning of thin films,提 要,薄膜图形化的光刻技术 光刻使用的等离子体刻蚀技术 等离子体刻蚀机制 未来的纳米光刻技术,有时，并不满足于使用简单形态的薄膜，而需要对薄膜进行有目的的加工，形成特定的图形对材料的表层（薄膜）进行显微加工，即它的图形化，需要使用表面刻蚀技术对应于制备薄膜材料的CVD、PVD技术，则有化学的、物理的表面刻蚀方法；在某种意义上，刻蚀过程是薄膜沉积过程的逆过程半导体工业的高速发展是表面刻蚀技术的主要推动力，它应用的是光刻的方法,薄膜沉积与其刻蚀技术,八层布线的集成电路的断面形貌,八层Cu导线(灰色)、其间由硬质碳形成的绝缘层(白色)以及其下所连接的0.13m线宽的CMOS器件。这都需要薄膜制备技术，也需要薄膜的图形化技术,Cu,C,CMOS,以光刻技术在薄膜表面获得图形,若要在Si器件表面制备如图所示的SiO2图形，就需要求助于光刻技术,Si,光刻所用的掩膜,掩膜的示意图,掩膜由高度平整的紫外石英玻璃和它上面由电子束刻蚀形成的Cr薄膜图形所组成，前者可以透过紫外线，而后者将对紫外线发生强烈的吸收,半导体技术中所采用的光刻技术,Si片,氧化：形成SiO2层,涂敷：涂光刻胶,加热：光刻胶预固化,掩膜对准,暴光,溶解：去除部分光刻胶,加热：光刻胶固化,SiO2层的刻蚀,溶解或灰化：去除光刻胶,不仅SiO2,其他的材料,如Si,Al,也可由光刻方法进行刻蚀,Automatic coat and develop track,依次可完成清洗、涂胶、暴光、刻蚀等工序,光刻过程中的暴光方法,暴光可采用接触式、非接触式、以及投影式的形式。在后者的情况下，可对掩膜的图形缩小10倍,光刻过程中的暴光 GCA 6700 STEPPER,光刻技术制备的显微防伪标记,尺度单位为55m,光刻流程中的刻蚀,存在两种刻蚀方法：湿法（化学溶剂法）,干法（等离子体法）,SiO2层的刻蚀,正负性的光刻胶技术,光刻胶为对光敏感的由树脂、光敏剂、溶剂组成的有机化合物混合体(如SU8)正性光刻胶在暴光时被分解而易于被溶去而负性光刻胶在暴光时发生交联而不易于被溶去,以化学溶剂法实现光刻图形时的情况,优点：侵蚀过程有很强的选择性,缺点：对SiO2侵蚀为各向同性过程,形成“香槟杯”形剖面。在侵蚀深度为1m时，光刻可获得的最小线宽约为3m，即在侵蚀深度：线宽比增加时，须采取各向异性的刻蚀方法应用等离子体的各种刻蚀方法,等离子体刻蚀,当被刻蚀层的厚度与线宽可以比拟时，需采用干法刻蚀由于刻蚀过程必须是一个低温的过程，因而要借助于等离子体的高活性对应于制备薄膜材料的CVD、PVD技术，等离子体刻蚀也将表现出其主要是化学的、或主要是物理的过程在某种意义上，等离子体的刻蚀过程是薄膜沉积过程的逆过程,等离子体刻蚀,等离子体的刻蚀实际上相当于PECVD的逆过程,等离子体刻蚀的监测,等离子体刻蚀处理的终点监测可依靠监测等离子体的发射光谱的方法来进行如，在刻蚀光刻胶时，可监测CO在483.5nm的谱线强度的变化，其他材料的刻蚀也有相应的谱线,对等离子体刻蚀技术的要求,较高的刻蚀选择性，Se较高的刻蚀各向异性，A精确的亚微米尺度的线宽，良好的剖面形貌较快的腐蚀速率,等离子体刻蚀的微观过程,等离子体刻蚀时，涉及七个微观过程：,在等离子体中产生活性基团（离子、化学基团），如：e-+Cl22Cl+e-活性基团从等离子体扩散、输送到表面活性基团化学吸附到被刻蚀表面活性基团在被刻蚀表面上扩散活性基团与表面原子发生化学反应，生成吸附态的反应产物，如：Cl+SiSiClx反应产物从刻蚀表面脱附反应产物扩散离开刻蚀表面，被真空系统排除出系统,比较一下：PECVD时的微观过程,在气相中,发生活性基团形成、扩散、反应的过程在衬底表面,发生吸附、扩散、反应以及脱附等一系列过程,CVD过程,PECVD过程,与薄膜沉积时相似，刻蚀过程也可以由数值模拟方法加以研究,等离子体刻蚀过程的速率,即化学反应速率受温度、浓度、反应激活能等动力学因素所控制,如CVD时一样，Si、SiO2被化学基团F所刻蚀的速度也可被描述为,等离子体刻蚀过程的选择性,一个刻蚀过程的选择性可用参数Se表征即A，B两种物质被刻蚀的速率之比。它可以是指被刻蚀物质相对于掩膜的刻蚀选择性，也可以是指被刻蚀的两种不同物质的刻蚀选择性刻蚀过程要尽量地优化Se；一般的刻蚀过程的选择性多不超过50,等离子体刻蚀过程的选择性,优化刻蚀过程选择性的方法有：,利用形成气态反应产物的化学反应的速率要大于形成非气态产物的反应的特性：用O2与光刻胶发生选择性反应，生成CO,CO2,H2O等气态产物利用形成的化合物越稳定，其反应速率越快的特性：用Cl2等离子体，选择性刻蚀SiO2上的Al利用改变化学平衡点的方法：虽然在CF4等离子体中，SiO2的刻蚀速率与Si相近，但在等比例的CF4+H2等离子体中，SiO2的刻蚀速率则可达到多晶硅的45倍以上利用其他动力学因素：如利用Cl对于重度n型搀杂硅的刻蚀能力比未搀杂时的硅高20倍,常用电子材料的等离子体刻蚀方法,等离子体刻蚀过程的各向异性,一个刻蚀过程的各向异性可用参数A表征即垂直、平行方向上物质被刻蚀的速率之比。各向异性刻蚀时，A=1；各向同性刻蚀时，A=0在要求大的刻蚀深度/线宽比时，尤其要有高的各向异性的刻蚀特性,等离子体刻蚀过程的选择性,提高刻蚀过程各向异性的方法有：,提高离子运动的方向性提高活性基团的离化率选择合适的气体成分和反应基团选择低的刻蚀温度采用可使侧壁钝化的化学组分,早期使用的等离子体刻蚀系统,早期的刻蚀使用简单的电感、电容耦合式系统。样品竖直地浸没在等离子体中，相似于湿法刻蚀。由于样品的方位与电极位置缺乏对应性，这种刻蚀不具有各向异性的特性,等离子体刻蚀系统的发展,之后，等离子体刻蚀技术经历了高密度等离子体刻蚀可在相对低的压力下，实现各向异性刻蚀，并可分别控制离子的能量和密度，优化腐蚀速率,低等离子体密度的等离子体刻蚀（Plasma Etching）反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching）高密度等离子体刻蚀(HDP etching)：电子回旋共振（Electron Cyclotron Resonance,ECR）感应耦合等离子体（Inducting Coupled Plasma,ICP）,Plasma etching 电容耦合式的等离子体刻蚀系统,为提高刻蚀的各向异性，可使用如图的电极形式，但一次只能刻蚀一片样品为提高产量，需大幅度地提高刻蚀速度（等离子体密度）,在气压较高时，样品放在阳极上；此时，主要依靠的是等离子体中活性基团产生的化学刻蚀,Plasma etching 电容耦合式的等离子体刻蚀系统,在气压较低时，样品放在阴极上；这时，离子在自偏压下轰击表面，形成离子辅助刻蚀，即它结合了两种刻蚀机理：等离子体活性基团的各向同性的、选择性刻蚀和高能离子轰击造成的各向异性的、非选择性的刻蚀,Reactive ion etching,RIE 电容耦合式的等离子体刻蚀系统,RIE 六角柱形的射频反应离子刻蚀系统,柱形系统:提高了RIE方法的效率；离子轰击阴极表面，形成离子辅助刻蚀,上述射频等离子体刻蚀系统的缺点,样品浸没在等离子体中，易受到较强的离子轰击，使介电薄膜发生电荷积累损伤，使不耐高温的材料受到高温损伤气体压力较高，气体分子的散射造成离子运动的方向性差，刻蚀的方向性也较差离子的能量、剂量不能独立调节，造成刻蚀速率较低,高密度射频等离子体刻蚀系统 Inducting Coupled Plasma,ICP,为克服上述缺点，发展了高密度等离子体刻蚀技术：在上游喂入活性气体，形成高密度等离子体；在下游发生刻蚀过程，两者相互分离,高密度微波等离子体刻蚀系统 Electron Cyclotron Resonance,ECR,使用高密度等离子体刻蚀系统的优点：气体压力低（1/20倍）,等离子体密度高（10倍），离化率高（100倍）和刻蚀速度快,RIE与高密度等离子体（HDP)刻蚀系统的比较,物理溅射化学刻蚀离子辅助刻蚀侧壁钝化(side wall passivation)的离子辅助刻蚀,等离子体刻蚀的四种机制,等离子体刻蚀的五种机制,物理溅射化学刻蚀离子辅助刻蚀侧壁钝化(side wall passivation)的离子辅助刻蚀反应离子刻蚀,又有人提出了,侧壁钝化的离子辅助等离子体刻蚀,利用两种不同的气体产生等离子体，一种将在侧壁产生高分子的吸附沉积物，而另外一种则产生刻蚀作用。刻蚀过程在两种气体之间不断转换，每个刻蚀周期持续数妙的时间,反应离子刻蚀（RIE),指利用离子加速后作定向运动、产生定向刻蚀效果的所有等离子体刻蚀技术，包括早期的RIE和后期的高密度等离子体刻蚀方法,等离子体刻蚀的四种机制的比较（按气体压力排列）,Si的离子辅助等离子体刻蚀的效果,高能离子与活性基团一同产生的刻蚀速率大于两者各自的速率,化学刻蚀,离子辅助,物理溅射,不同等离子体刻蚀机制的特点,离子参与的过程：可具有强的方向性（各向异性）缺少选择性,活性化学基团参与的过程：强的选择性 缺少各向异性,因此，等离子体刻蚀方法总是在寻找两者的折中,由高密度等离子体实现的单晶硅的各向异性刻蚀,刻蚀:0.4m4m,由高密度等离子体实现的SiO2的各向异性刻蚀,25nm788nm,集成电路多层布线技术,镶嵌式（左）：绝缘层光刻-金属层PVD-化学机械抛光,标准式（右）：金属层光刻-绝缘层CVD-化学机械抛光,光刻技术的未来:莫尔定律（Moores Law）,为协调半导体技术的发展，国际半导体行业协会(SIA)每年都在制定International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS,未来的光刻技术,当今主流的光刻技术已是90nm线宽的技术；下一代光刻技术则是所谓的65nm、45nm线宽的技术目前主要使用的光刻光源是波长为193nm的ArF激光。下一代光刻技术据说将使用波长为157nm 的F2激光、13nm的极紫外光有兴趣的同学可以查阅：“The ending of optical lithography and the prospects of its successors”,Burn J.Lin,Microelectronic Engineering,83(2006)604-613,纳米光刻技术,为了半导体技术的持续发展，需要克服的难题包括：,发展更短波长的光源（极深紫外、X-射线、电子束、离子束）芯片的平整化技术移相式（phase-shifting）暴光方法的改进短波长光学器件(投影、反射器件)的发明适用的光刻胶体系掩膜的制造技术适宜的表面刻蚀方法,例一：Si 的刻蚀与微型 Si 模具的制造,不仅仅是集成电路，各种机械部件的尺寸也在不断减小微型部件的制造需要有制造良好的微型模具Si 的干刻蚀技术具有各向异性的特点；其中，Bosch 刻蚀工艺以其对侧壁的钝化能力，可被用于大深宽比的微型模腔的刻蚀,光刻技术、刻蚀技术相结合，可制备微型 Si 模具,微型 Si 模具的制造过程,S.-B.Jo et al./Surface&Coatings Technology 188454 189(2004)452458,涂敷一层氟化碳薄膜(PPFC)，以提高脱模的质量,ICP 高密度等离子体 Si 刻蚀装置,S.-B.Jo et al./Surface&Coatings Technology 188454 189(2004)452458,RF 衬底偏压,ICP 等离子体,压力20 mTorr,同一技术还被用于薄膜的沉积,SF6/C4F8气体,用 Bosch 工艺进行了 Si 的刻蚀：SF6 刻蚀(60s，80V)；C4F8 侧壁钝化(30s，0V)。在两种气体相混的间隙时间里，等离子体熄灭,Bosch Si 刻蚀工艺,S.-B.Jo et al./Surface&Coatings Technology 188454 189(2004)452458,Si 的刻蚀与侧壁钝化的机制,刻蚀：在等离子体中电子的作用下，SF6 被分解为 F 原子和 SF5+离子：F 原子与 Si 发生如下的刻蚀反应：钝化：另一方面，在等离子体中，C4F8 则被分解为 CF2 等化学基团：CF2 活性基团在被固相表面吸附以后，则进一步形成聚四氟乙烯类的聚合物薄膜：,为了优化刻蚀与钝化两者的效率，可将刻蚀与钝化两者从时间上分割开：一段时间内进行刻蚀，另外一段时间内进行侧壁钝化,改进的侧壁钝化刻蚀工艺,S.-B.Jo et al./Surface&Coatings Technology 188454 189(2004)452458,功率和衬底温度对PPFC薄膜沉积速率的影响,温度:13C,RF 功率:600W,刻蚀后，以 C4F8 气体为原料，对模具施加 PPFC 涂层,PPFC 涂层前与涂层后，接触角的测量结果,S.-B.Jo et al./Surface&Coatings Technology 188454 189(2004)452458,未涂层,PPCF 涂层,PPFC 涂层处理可显著提高 Si 表面的接触角 赋予其憎水性，使脱模过程更为容易,铺展开的液珠,未铺展开的液珠,利用UV光固化技术，可制备塑料微型部件,Si 模具用于微型塑料部件的制造,S.-B.Jo et al./Surface&Coatings Technology 188454 189(2004)452458,氟化碳膜的作用是它可提高脱模质量,模腔深 45m，侧壁倾角 85，后者使脱模更为容易,S.-B.Jo et al./Surface&Coatings Technology 188454 189(2004)452458,刻蚀得到的微型 Si 模具,微型模腔,微型模腔,微型塑料部件很好地重现了微型模具的外形尺寸,由 Si 模具制造的微型塑料部件及其外形图,S.-B.Jo et al./Surface&Coatings Technology 188454 189(2004)452458,制造缺陷,塑料件,Si 模具,第八讲 小结,在需要对薄膜材料进行图形化时，光刻技术是一个有力的技术手段。与薄膜材料的PECVD方法相对应，等离子体刻蚀技术可被用于对薄膜材料进行表面刻蚀。发展中的等离子体刻蚀技术与化学溶剂刻蚀方法相比，可在更小的线宽尺度上，对材料进行各向异性的刻蚀。等离子体刻蚀的微观机制可以被分为四类（或五类），它们的主要区别在于发挥作用的活性基团和它们的作用机制。反应离子刻蚀、高密度等离子体刻蚀两种方法是目前半导体技术中各向异性刻蚀的主要手段。,思 考 题,对比等离子体光刻技术与PECVD技术的异同点。讨论湿法与干法半导体光刻技术的优点与缺点。说明：高密度等离子体光刻技术逐渐取代早期的反应离子刻蚀技术的原因。比较溅射、化学刻蚀、离子辅助刻蚀、侧壁钝化的离子辅助刻蚀等四种等离子体刻蚀机制的特点。尝试解释离子辅助刻蚀方法能够获得高的刻蚀速率的原因。讨论等离子体刻蚀方法提供的刻蚀选择性和刻蚀各向异性。讨论：在使用193nm或13nm波长的紫外光源暴光的情况下，由光刻技术可以获得的线宽。,