（光学工程专业论文）清洗刻蚀源及其应用.pdf

清洗刻蚀源及其应用 学科：光学工程 研究生签字；王哥迄、夸 指导教师签字： 摘要 随着微细加工技术的不断深入，新型离子源的不断兴起，刻蚀技术经历了由湿法刻蚀 到一系列千法刻蚀的发展过程，其中，离子束刻蚀技术是利用带能离子轰击固体表面从而 产生溅射现象的一种刻蚀方法，由于其刻蚀方向性好、分辨率高、工艺参数可控、费用低 廉、可刻蚀的材料种类繁多、环境污染小等的优点而备受关注。良好的均匀性和高刻蚀速 率一直是微细加工技术发展的主要内容，随着基片尺寸不断增大，器件结构尺寸不断缩小， 这些要求就更为突出。离子束刻蚀技术就是具有广阔前景的一种精密的微细加工技术。 本文面向离子束刻蚀( i b e ) 技术对清洗刻蚀离子源进行了研究，通过对清洗刻蚀离子 源的工作特性、均匀性和离子能量的测试，以及对该离子源工作区域的电磁场进行了计算 和模拟系统的掌握了该清洗刻蚀离子源的各项性能，戈下步研究离子束刻蚀工艺实验 打下了坚实的基础。之后研究了不同工艺参数对刻蚀c u 材料刻蚀速率的影响，获得了各 因素与刻蚀速率的关系曲线，初步揭示了它们之间的变化规律。 实验研究结果表明：通过理论计算和软件模拟，该清洗刻蚀离子源的电磁场满足工作 要求，实验发现采用双圈发射型结构比采用单圈结构所得到的离子束密分布曲线均匀性要 好，在其余参数保持不变的条件下，一般的，在一定范围内减小阳极放电电压、减小出口 束流、增大距源出口中心距离均可导致出口束密均匀性的提高，在离子柬密分布相对均匀 的前提下，c u 材料的刻蚀速率对各工艺参数的依赖关系是诸多因素的综合效果，并根据 实验得到了该离子源束密分布和刻蚀速率最好的一组工艺参数。本文的研究工作进一步为 离子束刻蚀工艺研究提供了重要参考价值和实验结果。 关键词：离子源；电磁场；工作特性；离子能量；均匀性：刻蚀速率 t h e c l e a n i n ga n de t c h i n gi o ns o u r c ea n d i t sa p p l i c a t i o n d i s c i p l i n e ：o p t i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ：w 叼w 叭 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dr i s i n go ft h en e wi o ns o u r c e ， e t c h i n gt e c h n o l o g yu n d e r w e n tf r o mw e te t c h i n gt o v a r i o u sd r yp r o c e s s ，i o nb e a me t c h i n g t e c h n o l o g yw h i c hi sam e t h o db ys p u t t e r i n gt h es o l i ds u r f a c ew i t he n e r g i ci o nh a sc a u s e dt h e i n t e r e s to fp e o p l eb e c a u s eo fi t sg o o dd i r e c t i o n a le t c h i n g ，h i g hr e s o l u t i o n ，c o n t r o l l a b l ep r o c e s s p a r a m e t e r s ，l o we x p e n s e s ，w i d e s p r e a d e t c h a b l em a t e r i a l sa n dl e s sp o l l u t i o n e x c e l l e n t u n i f o r m i t ya n dh i g he t c h i n gr a t ea r et h em a i ne l e m e n t so f m i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g nt h e ya r e m o r ep r o m i n e n tw h e nt h e s u b s t r a t es i z ei n c r e a s ea n dt h ed e v i c es i z es h r i n k i o nb e a me t c h i n g t e c h n o l o g yh a sp r o s p e c ti ns o p h i s t i c a t e dm i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h ec l e a n i n ga n de t c h i n gi o ns o u r c ea r es t u d i e df o ri o nb e a me t c h i n g ( m e ) t e c h n o l o g y ，t h ev a r i o u sf u n c t i o no fc l e a n i n ga n de t c h i n gi o ns o u r c ea leu n d e r s t a n db yt e s t i n g t h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c ，u n i f o r m i t y ，i o ne n e r g yo fc e i s ，c a l c u l a t i n ga n ds i m u l a t i n go ft h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l do fi o ns o u r c e ，f o rn e x ts t u d yt h ee x p e r i m e n t a lo fi o nb e a me t c h i n gp r o c e s s h a sl a i das o l i df o u n d a t i o n a n dt h e nt h ee f f e c t so fd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r sf o rt h ee t c h i n g r a t eo fc um a t e r i a la r es t u d i e d ，w h i c hp r e s e n tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev a r i o u sf a c t o r sa n d e t c h i n gr a t e t h er e s u l t i n d i c a t e s ：t h r o u g h t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n ds o f t w a r es i m u l a t i o n ，t h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l do ft h i si o ns o u r c es a t i s f i e st h ew o r kd e m a n d ，t h eu n i f o r m i t yo fi o nb e a m d e n s i t yd i s t r i b u t i o nc u r v ei sb e t t e ri nu s i n gd u a l - r i n gs t r u c t u r et h a nt h a to fs i n g l e g e n e r a l ，t h e i o nb e a md e n s i t yu n i f o r m i t yi m p r o v e sb yr e d u c i n gt h ea n o d ed i s c h a r g ev o l t a g e ，t h ee x p o r to f t h eb e a ma n di n c r e a s i n gt h ed i s t a n c ef r o mt h es o u r c eo fe x p o r tc e n t e ru n d e rt h eo t h e r p a r a m e t e r sr e m a i nu n c h a n g e d ，m e a n w h i l e ，t h ee t c h i n gr a t eo fc um a t e r i a ld e p e n do nt h e c o m b i n ee f f e c to fm a n yf a c t o r su n d e rt h er e l a t i v e l yu n i f o r mo fi o nb e a md e n s i t yd i s t r i b u t i o n ，a g r o u po fb e s tp r o c e s sp a r a m e t e ra b o u tu n i f o r m i t ya n de t c h i n gr a t ea r eo b t a i n e d t h i sa r t i c l eh a s a ni m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ea n de x p e r i m e n t a lr e s u l t st of u r t h e rs t u d yo fi o nb e a me t c h i n g p r o c e s s k e yw o r d s ：i o ns o u r c e ；e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ；w o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c ；i o ne n e r g y ；u n i f o r m i t y ； e t c h i n gr a t e 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送( 提) 交的学位论文，并对学位论文进行二次文献加工供其他读者查阅和借阅；学校可以在网络 上公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：王禾奄、备 指导教师签名：匀砂幺 日期： 卅，( 、z ) 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 壬示奄，芩 一叩、哆 5 5 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 离子源是产生离子束的装置，又是离子束设备中的关键部件，它的技术指标往往决定 了整个设备的技术指标和工艺水平，因此，在离子束设备制作中，研制高性能的离子源是 十分重要的【1 - 8 1 ，具有高性能的离子源才能保证具有高性能的离子束设备，进而获得各种 高质量的加工工艺。 微纳米加工( m i c r o a n dn a n o f a b r i c a t i o n ) 中非常重要的一步工艺是图形转移，相关技术 称为刻蚀技术( e t c h i n g ) 。刻蚀技术通常分为两大类：湿法刻蚀和干法刻蚀，常规的湿法刻 蚀指用化学溶剂腐蚀掉样片表面一定深度的物质，随着超大规模集成电路的发展，传统的 湿法化学刻蚀工艺由于其精度低，远远满足不了高精度图形加工的需要，因此刻蚀精度高 的干法刻蚀工艺得到了十分迅速的发展，干法刻蚀技术主要通过等离子体或离子束直接作 用表面，或通过表面的化学反应，对器件表面进行刻蚀，形成需要的图形结构。其中利用 离子源产生的离子束直接作用表面，或通过表面的化学反应对器件表面进行刻蚀的技术称 为离子束刻蚀技术。新的等离子体产生方式是多年来干法刻蚀技术发展的重点，电子回旋 共振技术、线圈耦合等离子体技术，近年来又出现了螺线式、螺线共振式、空心阳极式和 共振感应式等新型等离子体结构，这些新开拓的技术的共同特点是能够产生高密度的等离 子体，以提高刻蚀速率和刻蚀均匀性，由此可见，离子源技术左右着其发展，是离子束刻 蚀的关键 9 - 1 5 】。 良好的均匀性和高刻蚀速率一直是微细加工技术发展的主要内容，随着基片尺寸不断 增大，器件结构尺寸不断缩小，这些要求就更为突出，离子束刻蚀技术就是具有广阔前景 的一种精密的微细加工技术，离子束刻蚀( i b e ) ，也称作离子铣( i m ) ，是近年来发展较快 的一种离子剥离技术，该技术主要利用携带能量的低能离子束轰击靶材料从而产生溅射现 象的一种物理刻蚀方法，由于其刻蚀方向性好、分辨率高、工艺参数可控、费用低廉、可 刻蚀的材料种类繁多、环境污染小等的优点而备受关注，在刻蚀、沉积、镀膜、抛光、钻 孔、研磨、清洗高精度表面等方面，已经成为必不可少的手段。 1 2 离子刻蚀技术现状与未来发展 自1 9 4 8 年发明晶体管，随后出现集成电路，直到整个六十年代的二十年里，半导体器 件光刻工艺中对各种材料均采用不同的试剂进行腐蚀，惯称湿法腐蚀。然而，当器件集成 度进入中规模，结构尺寸小于1 0 p m 时，惯用的湿法腐蚀由于毛细现象和各向同性的腐蚀 性就难以保证精度和重复性，迫切需要寻找新的途径。虽然人们早己认识到原子和游离基 具有远强于分子的化学活性，但一直没有应用到固体材料的腐蚀技术上。直到六十年代人 两安丁业大学硕十学位论文 们发现氧等离子体可用于去除残留碳化物，并成功地用于等离子体去胶工艺中。随后很快 发展了半导体器件工艺中的干法刻蚀技术。自七十年代初，以辉光放电产生的气体等离子 体进行腐蚀加工，至今二十多年，经历了多样化的发展过程，使技术不断得到完善和创新。 干法刻蚀是一个惯称，它指的是在低气压下与等离子体有关的腐蚀方法。而其它一些 技术，如汽相腐蚀、激光诱导腐蚀，以及无掩膜的聚焦离子束腐蚀等，虽然亦有别于“湿 法腐蚀”，但已自成体系，一般不列入干法刻蚀中。经过二十多年的发展，出现过多种干 法刻蚀形式，它们各有各自的时代背景，也各有所长。如下列出的曾经得到较多应用的、 具有一定普遍性的形式【1 6 3 6 1 。 ( 1 ) 屏蔽筒式直到目前仍是等离体去胶机的基本结构形式； ( 2 ) 下游式属纯游离基的化学腐蚀： ( 3 ) 平行板式带低能离子轰击的游离基腐蚀； ( 4 ) 反应离子式兼有离子轰击和游离基腐蚀，是目前实验室和生产中应用最多的 结构； ( 5 ) 磁控反应离子式比反应离子刻蚀有更高的腐蚀速率； ( 6 ) 三级式可分别控制离子能量和离子密度； ( 7 ) 离子束铣对所有材料，包括铁磁和陶瓷材料均能腐蚀； ( 8 ) 反应离子束可调整离子入射角度，独立控制离子能量和离子密度； ( 9 ) 化学辅助离子束可调节腐蚀过程中的游离基腐蚀和离子轰击腐蚀成分。 按腐蚀原理来分，( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 可统称为等离子刻蚀，主要是化学反应过程；( 4 ) 、 ( 5 ) 、( 6 ) 属反应离子刻蚀，是物理一化学反应过程；( 7 ) 、( 8 ) 、( 9 ) 属离子束腐蚀，除了离 子束铣是纯物理过程外，其余为物理一化学反应过程。 1 2 1 几种离子刻蚀工艺 1 ) 等离子体刻蚀 等离子体刻蚀的基本原理是：腐蚀气体分子在高频电场作用下发生电离形成等离子 体，其电离反应式一般可写为 a 2 - a + a + + e ( 1 1 ) 式中a 2 表示电离气体，a + 为正离子，e 为电子，a 为化学性质很活泼的自由基，自 由基和被刻蚀材料之间的化学反应对材料产生腐蚀作用，反应生成挥发性极强的气体被抽 走。 等离子体刻蚀与湿法腐蚀相比最大的优点是可使刻蚀具有强方向性。 刻蚀二元光学元件时，由于存在着腐蚀窗口，刻蚀光致抗蚀剂层的速率比基片材料的 速率要小得多。通常制作光刻全息图是在玻璃或其它基底上淀积一层透明介质薄膜或金属 薄膜作为基片，由于光致抗蚀剂中浮雕全息图的连续厚度分布不存在腐蚀窗口，而且基片 上淀积的薄膜厚仅约1 9 m ，若沿用刻蚀二元图形的工艺在v p d p ( x ) ，薄膜中生成的浮雕图样的调制深度将增加。但是，当 v 。 v p 时，调制深度将超过薄膜厚度，从而产生的图形将严重失真； 若( v 。p ) v p 0 等 离 子 体 图2 3 双栅离子引出系统示意图 通过栅 通过孔 由单孔束流密度乘以嬲；4 ，可得到单孔束流为： 3 护私铲至9 户0 、i 匡m 警 ( 2 6 ) - ，i 。g 2 ) 三栅离子引出系统 三栅离子引出系统结构，如图2 4 所示。第三栅把减速场完全限制在l d 范围，称第 三栅为减速栅。减速栅的存在克服了使用较大加速栅负电位的限制，更有利于减少中性气 体损耗，提高气体利用率。增加减速栅后，减速场的长度大大缩短，离子一旦进入减速栅 孔即转入直线运动，不再增加束散角，因而离子束准直性优于双栅引出系统，而且具有相 对于双栅较高的束流能力，但是三栅离子引出系统要求较高的安装精度。 1 4 2 清洗刻蚀源的工作原理 加速栅 减速栅 出 r 一 1 黝嘭么t s l g 燃阏， j j l d 缴纵。 l d j 一 一 d 图2 4 三棚离子引出系统示意图 3 ) 单栅离子引出系统 所谓单栅离子引出系统，就是由一个栅极构成的聚焦加速系统。静电加速过程是通过 离子鞘和一个负电位栅之间完成的。从双栅的分析已知，束流密度与l g 2 成比例，减小 k ，显然会提高束流能力，如果将离子鞘面等效为一电极，则离子加速距离基本上等于离 子鞘的厚度，但是，由于栅网直接受离子轰击、腐蚀和污染情况严重，栅网寿命短，图 2 5 示出了单栅离子引出系统的示意图。 鞘厚度较大 鞘厚度较小 2 4 清洗刻蚀源工作原理 图2 5 单栅离子引出系统示意图 离子源的工作原理是利用气体放电使气体电离形成等离子体，然后从等离子体引出离 子束。等离子体由电子、离子和中性粒子所组成，其中电子和离子的电荷总数基本相等， 因而作为整体是电中性的。离子的产生主要是依靠电子与气体粒子的非弹性碰撞来实现。 清洗刻蚀离子源的内部结构设计示意图如图2 6 所示，它是一个高度对称的结构，主 要由电磁线圈、阴极( 不锈钢) 、阳极( 铁) 及各部分水冷系统等组成。工作气体由进气孔4 进入离子源内部，沿着配气盘均匀进入离子束源的放电区，阳极3 和阴极2 之间存在一个 几乎正交的电磁场，原初电子在电场力和磁场力作用下以螺旋线形式的轨迹向阳极运动， 1 5 两安工业大学硕士学位论文 与充入的气体原子发生碰撞使其电离，于是在阳极和阴极之白j 形成一个等离子体区域，其 中离子在交叉电磁场的作用下从离子源体内引出，形成双束均匀离子束对基片清沈或刻 蚀。 围26 清洗刻蚀源的结构示意图 这种离子源由于不需要复杂的栅极引出系统，因此，大大地简化了离子源的结构，提 高了使用寿命与可靠性，而且它还具有较低的离子引出能量并可在较大能量范围内调节的 特点。离子引出受两种因素的影响：第一个是电场分布差异导致的加速，其原因是电导率 在电场的平行方向及垂直方向相差数十倍，造成了电位分布类似于磁力线的分布。离子在 该电位分布造成的电场作用下向轴中心加速。第二个是磁场的作用。由于在引出极附近存 在着较大的磁场梯度，在该磁场梯度作用下，离子回旋半径在不同磁场强度位置下也不同， 形成一个典型的磁聚焦透镜。所以，离子在引出过程中同时受到电场力和磁场力的作用， 磁场力对离子不做功，只会改变离子的运动方向。 3 清洗刻蚀源的特性研究 3 清洗刻蚀源的特性研究 3 1 清洗刻蚀源的电磁场分析 3 1 1 离子源对电磁场的基本要求 我们设计的离子源一般希望工作在低气压的放电模式，但是在低气压低磁场( l m f ) 模式下，放电电压对放电电流的影响比较小，放电电流很难通过改变阳极电压进行调节， 这样的离子源使用起来是极不方便的。而在低气压高磁场( h m f ) 模式下，放电电流随放 电电压的增大而增大，因此可通过改变阳极电压方便地调节放电电流，这是我们希望的工 作模式。可见，磁场在离子源放电和维持过程中起着举足轻重的作用。根据之前研究，离 子源工作磁感应强度要求应不小于0 1 2t ，阳极工作区域的电磁场分布应相互正交。考虑 到磁感应强度较大，且我们希望磁场强度可调，所以我们采用线圈调节磁场。 3 1 2 离子源磁场的计算 根据磁导法对磁路进行计算，磁路我们采取图3