离子束技术简介

1离子束技术简介2010.5.242图1.离子束刻蚀示意图紫外光束离子刻蚀去除剩余的光刻胶3湿法与干法刻蚀WaferMaskEtchantDirectionWaferMaskWetEtchingDryEtchingEtchantDirection湿法刻蚀：合适的腐蚀液干法刻蚀：适用于所有固体材料4湿法刻蚀----化学腐蚀刻蚀等离子刻蚀(PE)反应离子刻蚀(RIE)干法刻蚀常规离子束刻蚀(IBE或IM)反应离子束刻蚀(RIBE)化学辅助离子束刻蚀(CAIBE）感应耦合等离子体刻蚀(ICP）1.分类52.刻蚀技术简介2.1等离子刻蚀（PE----PlasmaEtching)2.1.1等离子刻蚀原理气体在高频电场（通常13.56MHz）作用下，产生辉光放电，使气体分子或原子发生电离，形成等离子体。在等离子体中，包含有正离子、负离子、游离基和自由电子。游离基在化学上是很活泼的。等离子刻蚀就是利用等离子体中的大量游离基和被刻蚀材料进行化学反应，反应结果生成能够由真空系统抽走的挥发性化合物，从而实现刻蚀的目的。6例如刻蚀气体A2在高能电场作用下，产生电离，反应式可写成：放电A2+e-A*+A++2e-A*为中性游离基，A+为正离子，e-为电子。如果刻蚀气体用CF4,则产生游离基F*刻蚀Si4F*+SiSiF4刻蚀SiO24F*+SiO2SiF4+O2刻蚀Si3N412F*+Si3N43SiF4+2N272.1.2平行电极型等离子刻蚀装置平板式等离子刻蚀装置示意图样品8这种装置是由两个相距2cm左右的平行电极组成。通常上电极接射频电源RF，下电极接地。样品放在下电极上，等离子体被限制在两电极之间，样品和气体等离子体直接接触，工作气压在10-2~1Torr之间。起刻蚀作用的主要是游离基和部分离子。因此，刻蚀过程主要是化学反应，物理溅射次之。特点：基本各项同性刻蚀线宽1m左右92.2反应离子刻蚀（RIE----ReactiveIonEtching）为了减小侧向刻蚀，在垂直于样品表面方向上加一电场，使反应气体的离子在电场中作定向运动，使之只有纵向刻蚀，这是反应离子刻蚀的基本原理。射频电压加在两电极上，样品放在阴极上，阳极及反应室壁接地。阴极面积小，阳极面积大，这是非对称性的辉光放电系统。离子对刻蚀起主要作用，即以物理溅射为主，中性游离基的化学反应为辅。特点：各向异性刻蚀速率快刻蚀最小线宽可达0.2m10112.3离子束刻蚀(IBE----IonBeamEtching)离子铣（IM---IonMilling）具有一定能量的离子束轰击样品表面，把离子束动能传给样品原子，使样品表面的原子挣脱原子间的束缚力而溅射出来，从而实现刻蚀目的。这是纯粹的物理溅射过程。1213离子束刻蚀机的工作原理：通入工作气体氩气，气压10-2-10-4Torr之间，阴极放射出的电子向阳极运动，在运动过程中，电子将工作气体分子电离，在样品室内产生辉光放电形成等离子体。其中电子在损失能量后到达阳极形成阳极电流，而氩离子由多孔栅极引出，在加速系统作用下，形成一个大面积的、束流密度均匀的离子束。为减少束中空间电荷静电斥力的影响，减少正离子轰击基片时，造成正电荷堆积，离子束离开加速电极后，被中和器发出的电子中和，使正离子束变成中性束，打到基片上，进行刻蚀。惰性气体14特点：刻蚀过程是纯物理溅射，可以刻蚀任何固体材料；平行离子束刻蚀，高各向异性;无钻蚀；精度高，分辨率0.01um。15在离子束刻蚀机中，若将惰性工作气体改用化学反应性气体，那么刻蚀过程除了直接溅射外，反应气体离子对刻蚀材料还起化学反应，形成的刻蚀产物不单有固体，还有可以被真空系统抽走的可挥发性气体。对不同的刻蚀材料，需要选择合适的反应气体。常用的反应气体有含F和Cl的CF4、CHF3、SF6、Cl2、BC13、CCl4等。2.4反应离子束刻蚀(RIBE----ReactiveIonBeamEtching)16这些气体分裂物形成的离子是极具活性的，可以和材料化学反应形成气体化合物。例如，CF4在等离子体中形成CF3+、CF2+、CF+、F+和C+离子族，其中前四种都可以和硅类材料形成气态的氟化硅。特点：较高的各向异性刻蚀速率快17CAIBE----离子源工作气体为惰性气体，另一通道来的反应气体直接喷向基片表面。IBAE----离子源工作气体为一种反应气体，另一通道来的不同反应气体直接喷向基片表面。都可达到RIBE的同样效果！2.5化学辅助离子束刻蚀（或离子束辅助刻蚀）(CAIBE----ChemicalAssistantIonBeamEtching)或(IBAE----IonBeamAssistantEtching)182.6各种刻蚀工艺的比较19AH刻蚀图形的深宽比：H/A选择比：（被刻蚀材料/掩模）的刻蚀速率之比203．离子束刻蚀速率与入射角的关系3.1离子束刻蚀速率刻蚀速率是指单位时间内离子从材料表面刻蚀去除的材料厚度，单位通常为Å/min，nm/min。刻蚀速率与诸多因素有关，包括离子能量、束流密度、离子入射方向、材料温度及成分、气体与材料化学反应状态及速率、刻蚀生成物、物理与化学功能强度配比、材料种类、电子中和程度等。21有理论给出了刻蚀速率V与束流密度J和离子能量E之间的关系：VJE1/2对于同一种材料而言，刻蚀速率与束流密度为线性关系，与能量为0.5次方关系。下表给出了部分常用材料的刻蚀速率。22表2.部分常用材料的刻蚀速率（刻蚀条件：500eV,1.0mA/cm2,入射角：0°）被刻材料刻蚀速率（Å/min）AZ1350245~300PMMA560Au1500~1600Ag1400~1700SiC320C40~50Si250~300Al420~520Al2O3100~130Ge90Ni500~550SiO2280~400玻璃（Na,Ca）20023从表上可以看出，对有些材料的刻蚀速率所给出的数据是一个范围，不是确定值，这说明理论还不成熟，也说明离子刻蚀过程是一个非常复杂的问题，不确定因素太多，因此，对您所使用的刻蚀机按您的操作习惯自己做刻蚀速率曲线。24图7.离子入射材料表面形成原子溅射的级联碰撞模型25图8.几种材料的刻蚀速率与离子入射角度的关系（E=500eV,J=1.0mA/cm2）3.2刻蚀速率与入射角的关系下图是几种材料的刻蚀速率与离子束入射角度的关系的比较。从图中可以看出，不同材料的刻蚀速率的最大值对应不同入射角。26在离子束刻蚀过程中，选择合适的入射角可以提高刻蚀效率，这只是一个方面。另一个方面是靠合适的入射角度控制刻蚀图形的轮廓。下图给出了不同角度的刻蚀结果。图9.RIBE刻蚀SIO2离子束入射角对槽形轮廓的影响28影响刻蚀效果的因素很多，还有诸如离子刻蚀的二次效应、光刻胶掩模图形的形状和厚度、源靶距效应、离子刻蚀引起的材料损伤及温度效应等。29离子束刻蚀常见效应刻蚀的理想结果是将掩模（mask）的图形精确地转移到基片上，尺寸没有变化。由于物理溅射的存在，掩模本身的不陡直和溅射产额随离子束入射角变化等原因，产生了刻面（Faceting）、槽底开沟（TrenchingorDitching）和再沉积等现象，这些效应的存在降低了图形转移精度。30刻面效应（Faceting）图2.19刻面效应的形成过程离子束刻蚀的级联碰撞模型决定了溅射产额随着离子束入射角的变化而变化，从而在刻蚀过程中由于基片或掩模表面的离子束入射角不同导致刻蚀速率的不同，最终反映在图形转移上使图形轮廓发生变化。刻面效应就是这一原因引起的。31槽底开沟图2.20槽底开沟示意图当掩模的侧壁不陡直时，打在倾斜侧壁上面的入射离子处于大角度的入射状态，表现出入射离子的高反射率，一部分会被发射到槽底。这些反射向槽底某一部位的离子与正常入射的束离子之和造成入射离子通量的局部超出，导致该部位的刻蚀速率高于其他槽底部位，形成“开沟”。32由于物理溅射在离子束刻蚀中的存在，不可避免的产生非挥发性刻蚀产物，如果刻蚀沟槽的深宽比比较小时，溅射的材料粒子几乎可以飞出沟槽外。当沟槽的深度比较大时因为溅射离子存在一定的角度分布，溅射粒子不能全部飞出槽外，其中部分大角度溅射飞出的粒子重新打到掩模和已刻出基片的侧壁上（图2.21所示），形成再沉积过程。它带来的主要问题是减小刻槽宽度，使其偏离掩模限定的宽度，导致图形转移精度下降，并最终限制离子束刻蚀大深宽比沟槽的能力。再沉积形成过程的示意再沉积33再沉积问题34图2.23用掩模来消除刻蚀过程中产生的再沉积由于再沉积的严重影响了图形转移精度，如何在刻蚀过程中消除再沉积是很重要的研究内容。一般来说有三种方法可以解决再沉积问题[43、48]。如图2.23所示。对于陡直的光刻胶掩模可以将工作台倾斜一定角度（15－30°）并旋转刻蚀，使离子束可以入射到侧壁上，将沉积在上面的刻蚀产物去除。这种方法带来的缺点是加速了掩模侧壁的刻蚀，使最终获得的槽型展宽，降低图形转移精度。也可以将掩模做成一定的角度倾斜或圆形掩模（可以通过提高后烘温度来实现），使侧壁暴露在离子束之下，这样可以通过侧壁上的刻蚀速率和沉积速率的平衡来解决再沉积。35图4.5光刻胶掩模为半圆截面的石英刻蚀演化过程光刻胶掩模截面形状刻蚀槽形的演变过程36图4.7光刻胶掩模为侧壁倾斜情况下的刻蚀图形演化过程37图4.8光刻胶掩模侧壁陡直情况下的刻蚀槽形演化38刻蚀终点和刻蚀深度控制问题1.对于“刻透”膜层的刻蚀终点控制问题控制时间—刻蚀速率已知，并且稳定。最常用的方法在线监测—光谱法、质谱法39刻蚀终点监测方法（质谱法）的可行性图2SiF3+质谱谱线的变化402.对于同一种材料的刻蚀深度控制问题光谱法、质谱法已经失灵！在线监测方法：等厚干涉法光谱法41等厚干涉法原理与装置He-NelaserHe-Nelaser初始的干涉条纹条纹发生错位刻蚀之前刻蚀之后dcdh等厚条纹错位反映刻蚀深度0,0,1,2,chhmmd×Lh0:一个干涉条纹所对应的深度d:干涉条纹间距c:刻蚀一定深度后引起的干涉条纹的移动量02hn楔形平板厚度减小，导致等厚条纹发生平移，厚度减小量h与条纹移动量的关系为：楔形陪片4202hn相邻等厚条纹之间对应的楔形平板厚度差为h0：0,0,1,2,chhmmd×L楔形平板厚度减小，导致等厚条纹发生平移，厚度减小量h与条纹移动量的关系为：计算公式等厚干涉法原理与装置43离子束挡板等厚干涉法原理与装置44二、原理与装置等厚条纹错位的实际照片45二、原理与装置在线检测系统全图（俯视图）1：刻蚀机真空室；2：离子源；3：离子束；4：工作台；5：陪片；6：正式基片；7：离子束阑与石墨挡板；8：一对平面反射镜；9：观察窗；10：检测光源；11：分束镜；12：凸透镜；13：面阵CCD；14：采集卡与计算机。46二、原理与装置真空室内部件示意图（俯视图）xzy工作台离子束阑离子源观察窗口正式基片挡板陪片47二、原理与装置正式基片、陪片与挡板的位置关系ACDEB工作台往返移动ACB48二、原理与装置挡板及其夹具49二、原理与装置挡板与陪片的距离陪片陪片挡板挡板ABAB50二、原理与装置等厚条纹位置的确定51三、实验及结果预先进行离线实验预先进行离线实验，目的是初步验证检测原理的可行性，了解检测光路所得干涉图像的特点，并编写图像处理程序，实现等厚条纹错位比例的自动识别。当离线状态下能够准确检测出刻蚀深度之后，就以离线检测光路为基础搭建起在线检测系统，做在线检测实验。52离线实验光路检测光源待测玻璃片分束镜凸透镜面阵CCD图像采集与处理三、实验及结果53离线实验结果845±5837±4K99713±8718±8K98715±11711±12制板玻璃7698±9684±6制板玻璃6394±13390±15制板玻璃5280±12275±4K94112±10120±3K9350±1545±5K9219±320±1熔融石英1干涉法检测结果(nm)台阶仪测量结果(nm)材料基片序号注：表中数据表达格式为“平均值±最大偏差”三、实验及结果54离线实验照片(a)1号基片(b)2号基