（光学工程专业论文）激光腐蚀刻蚀技术研究.pdf

摘要 摘要 激光诱导液相腐蚀是利用激光在单色性、方向性、高亮度上的独特优势，以 激光对材料的光子效应和热效应为基础，辅助材料的液相腐蚀进程，从而满足材 料的刻蚀需要。激光诱导液相腐蚀与普通化学腐蚀相比，可以有效地消除晶体取 向影响，制作出更加多样化的腐蚀图形；与激光诱导气相腐蚀相比，其工艺条件 更加容易实现，操作更加简单；与干法离子刻蚀相比，对基片无离子损伤，过度 腐蚀容易控制，成本低。正因如此，激光诱导液相腐蚀技术逐渐成为国内外学者 研究的热点之一。因影响半导体激光诱导液相腐蚀效果的因素很多，要得到理想 的腐蚀图样以及监控腐蚀进程有着很大的技术难度，至今没有得到有效解决。 本文的工作就是围绕激光诱导液相腐蚀技术而开展的，主要的研究结果与创 新之处如下： 1 )以激光诱导液相腐蚀技术为主线，以实现其应用为最终目的，深入开展 基本原理、实时监测、加工工艺和器件应用四个层面的研究，搭建有效的激光诱 导液相腐蚀研究体系。 激光诱导液相腐蚀是典型的交叉学科技术，它以激光技术为基础，涉及到包 括化学、材料等众多领域，知识背景复杂，使得现阶段激光诱导液相腐蚀的基本 原理、加工工艺水平、实时监控以及实际应用等方面均存在急待解决的问题。因 各个层面之间互相关联，独立研究很难达到推动实际应用的目的，本论文选择以 搭建激光诱导液相腐蚀体系为切入点，开展广泛而深入的研究，成为本论文的主 要特色之一。 2 ) 提出了利用红外热像实时监测，系统研究了激光诱导液相腐蚀进程中的 腐蚀溶液的热环境分布、变化等特征，使温度这一影响激光诱导液相腐蚀的重要 因素得以有效表征。 温度是影响化学反应进程的重要因素之一。在激光诱导液相腐蚀的进程中， 激光、化学反应热等因素均对反应的实际温度有很大的影响，加之热对流、热传 导、热辐射等因素的存在，使得深入了解激光诱导液相腐蚀的热环境、分布特征 成为难题。本论文提出利用红外热像实时监测，将温度差异引起的热辐射能转化 为相应的红外可见图像，记录、储存并进行处理分析，获得需要的监测结果，并 积极探索腐蚀进程、腐蚀速率、粗糙度等与红外热图像之间的内在联系。 摘要 3 ) 提出了获得材料反应启动时长( 刻蚀材料与腐蚀溶液从开始接触到腐蚀开 始的时间间隔) 的测量方法，并对不同材料、不同腐蚀液浓度下的化学反应启动 时长进行了实验研究，获得了有价值的实验结果。 不断提高刻蚀速率，被普遍认为是湿法刻蚀技术持续发展的根本所在，因为， 与干法刻蚀技术相比，只有不断提高刻蚀速率，才能克服横向腐蚀等缺陷，进一 步突出其应用面广、成本低、选择腐蚀性能好等优势。随着刻蚀速率的不断提高， 对时间的控制精度要求也越来越高，化学反应启动时长的存在，对快速刻蚀的时 间控制而言，有着较大影响，已经不容忽视。但至今仍缺乏有效的技术手段对反 应启动时长进行测定，往往对其进行大致估计或完全忽略，这一缺失，将最终制 约快速刻蚀技术的进一步发展。本论文从化学反应过程伴随热生成这一现象，在 对材料表面腐蚀液滴及腐蚀液膜红外辐射特性深入研究的基础上，利用红外热像 实时监测系统，对竖直材料表面滑动液滴残留线形液膜进行红外灰度实时采集， 从中成功获得了反应启动时长的相关信息。 4 ) 提出了包括抗蚀膜掩蔽法、次序选择腐蚀法、电极腐蚀法和两步腐蚀法在 内的激光辅助液相腐蚀系列方法，并通过对加工方法的选择，实现了在不同材料 刻蚀上的成功应用，取得了较理想的刻蚀效果。 工艺技术研究是决定激光诱导液相腐蚀实际应用效果的关键环节之一。本论 文以大量的实验研究为基础，并结合理论分析，最终建立了以抗蚀膜掩蔽法、次 序选择腐蚀法、电极腐蚀法和两步腐蚀法为主的激光辅助液相腐蚀系列方法。抗 蚀膜掩蔽法是在基片表面不需要腐蚀的区域用抗蚀膜覆盖，激光照射在无抗蚀膜 区域，对基片进行腐蚀；电极腐蚀法是通过外加电压在溶液中形成腐蚀电流，促 使中间离子产物脱离基片表面；次序选择腐蚀法是针对混合溶剂的使用先后顺序 进行选择；两步腐蚀法是利用材料不同方向上刻蚀速度的差异，延长或缩短相应 的刻蚀时间。在实际的刻蚀工艺中，可根据不同的需求，确定一种或多种工艺方 法，本论文为阐述需要，对各种工艺进行独立分析。经理论分析和实验验证，以 四种工艺为基础的系列方法，可以满足绝大多数刻蚀需要并取得较理想的刻蚀效 果。 5 ) 以半导体激光诱导液相腐蚀技术为工艺基础，提出并设计了一种满足全方 位自对准的圆孔型探测器；同样，以高温超导薄膜的激光诱导液相腐蚀工艺为基 础，提出、设计、制作并测试了一种光控高温超导衰减器。 激光诱导液相腐蚀在器件制作上的应用及其性能研究有着重要意义。本论文 结合器件实际应用背景的需要，发挥激光诱导液相腐蚀技术的优势，提出了一种 满足全方位自对准的圆孔型探测器，以及一种实现精确信号衰减的光控高温超导 u 摘要 衰减器。 据我所知，在国内、外文献中，均未见有关材料反应启动时长红外测量方法、 液层下材料表面粗糙度表征、圆孔型探测器、激光腐蚀系统工艺方法、光控高温 超导衰减器、激光化学腐蚀热环境监测等内容的报道。 关键词：激光微细加工，激光辅助液相腐蚀，红外热像，半导体，反应启动时长， 探测器，光控衰减器 i l l a b s t r a ( 了r a b s t r a c t t h eu n i q u es u p e r i o r i t yo fl a s e rs u c ha sm o n o c h r o m a t i c i t y , d i r e c t i v i t ya n dh i 曲 b r i g h t n e s sa r eu s e di nl a s e ra s s i s t e dw e tc h e m i c a le t c h i n g ( l a w e ) t a k e nt h e1 a s e rt o t h em a t e r i a lp h o t o ne f f e c ta n dt h et h e r m a lr e a c t i o na st h ef o u n d a t i o n , t h i st e c h n o l o g y c a na s s i s ti nt h em a t e r i a la q u e o u se t c h i n gp r o c e s s ，t h u ss a t i s f i e st h en e e do fm a t e r i a l e t c h i n g t h e r ea r et h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e sw i t hl a w et e c h n o l o g y f i r s t ，c o m p a r e d w i t hg e n e r a lc h e m i c a le t c h i n g , t h ei n f l u e n c eo fc r y s t a lo r i e n t a t i o nc a nb ee l i m i n a t e d e f f e c t i v e l ya n dt h ed i v e r s e re t c h e df i g u r ei sm a n u f a c t u r e db yl a w e s e c o n d l y , i t s m u c he a s i e rt or e a l i z et h ep r o c e s sc o n d i t i o n sa n ds i m p l e rt oo p e r a t et h a nl a s e r i n t r o d u c e dg a s e o u se t c h i n g f u r t h e r m o r e ，c o m p a r e dw i t hd r yi o ne t c h i n g , t h e r ei sn o i o nd a m a g et ot h es u b s t r a t e ，t h ee x c e s s i v ee t c h i n gi se a s i e rt oc o n t r o la n dt h ec o s ti sl o w s ol a w et e c h n o l o g yh a sb e c o m eo n eo ft h ew o r l ds t u d yf o c u s e sg r a d u a l l y b e c a u s eo f m a n yf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ee f f e c to ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e ra q u e o u se t c h i n g , i t s v e r yd i f f i c u l tt oo b t a i nt h ei d e a le t c h e df i g u r ea n dm o n i t o rt h ee t c h i n gp r o c e s s s of a r t h e s ep r o b l e m sh a v en o tb e e ns o l v e d t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h el a s e ri n d u c e da q u e o u se t c h i n gt e c h n o l o g y t h e m a i nr e s e a r c hr e s u l t sa n di m p o r t a n tc o n t r i b u t i o r sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) m a i n l yb a s e do n t h el a w et e c h n o l o g y , t or e a l i z ei t sa p p l i c a t i o n , t h ep r i n c i p l e ， t h ep r o c e s sr e a l t i m em o n i t o r i n g ，p r o c e s s i n ga n dd e v i c ea p p l i c a t i o na r er e s e a r c h e d t h e l a w es t u d ys y s t e mi se s t a b l i s h e de f f e c t i v e l y b a s e do nl a s e rt e c h n o l o g y , l a w ei sat y p i c a li n t e r d i s c i p l i n a r y i t sc o n t e n tr a n g e s f r o mc h e m i s t r yt om a t e r i a la n dm a n yo t h e rf i e l d s w i t ht h ec o m p l e xb a c k g r o u n d ，m a n y p r o b l e m sr e l a t e dt ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ( i n v o l v i n gp r i n c i p l e ，p r o c e s s i n gl e v e la n d p r o c e s sm o n i t o r i n g ) p r e s s f o rs o l u t i o n b e c a u s ee v e r ya s p e c tm e n t i o n e da b o v e c o n e l a t e s t h ee s t a b l i s h m e n to fl a w es y s t e mi sa ni m p o r t a n ts t a r t i n gp o i n ti nt h e d i s s e r t a t i o n t h ee x t e n s i v ea n di n d e p t hr e s e a r c hc o v e r i n gaw i d er a n g ea n dr e q u i t i n g s t r o n gi n n o v a t i v ec a p a c i t yi sc o n d u c t e d 2 ) t h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gm e t h o di su s e di nr e a l - t i m em o n i t o r i n g t h e t h e r m a le n v i r o n m e n td i s t r i b u t i o no ft h ee t c h i n gs o l v e n ti nt h el a w ep r o c e s si ss t u d i e d i v a b s t r a c t s y s t e m a t i c a l l y s o t h e i m p o r t a n t f a c t o r t e m p e r a t u r e w h i c ha f f e c t si ，a w ei s c h a r a c t e r i z e d 1 1 1 et e m p e r a t u r ei sa l li m p o r t a n tc o n s i d e r a t i o ni nt h ec h e m i c a lr e a c t i o n i nt h e l a w ep r o c e s s ，l a s e r , c h e m i c a lr e a c t i o nh e a ta n do t h e rf a c t o r sa l lh a v eag r e a ti n f l u e n c e o np r a c t i c a lt e m p e r a t u r e a d d i t i o n a l l y , t h e r m a lc o n v e c t i o n ，h e a tc o n d u c t i o na n dt h e r m a l r a d i a t i o na r ea l s ot a k e ni n t oa c c o u n t u s i n gi n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gf o rt h er e a l - t i m e m o n i t o r i n gi sp r o p o s e db yt h ea r t i c l e t h e r m a lr a d i a t i o nc a u s e db yt h et e m p e r a t u r e d i f f e r e n c ei sc o n v e r t e di n t oi n f r a r e dv i s i b l ei m a g e 、聃n lr e c o r d i n ga n dp r o c e s s i n g , r e q u i r e dm o n i t o r i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e d t 1 1 ci n t e r r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ep r o c e s s r a t ea n dt h es u r f a c er o u g h n e s so fe t c h i n gp r o c e s sa n di n f r a r e dt h e r m a li m a g ea r e e x p l o r e d 3 ) 1 1 1 em e a s u r i n gm e t h o dt oo b t a i nt h em a t e r i a lr e a c t i o ns t a r t i n gt i m el e n g t h ( i t t a k e sac e r t a i np e r i o dt i m et or e a c tb e t w e e nt h em a t e r i a la n de t c h i n gs o l u t i o nf r o m c o n t a c tt oe t c h i n g ) i sp u tf o r w a r d f o c u s e do nd i f f e r e n tm a t e r i a l sa n de t c h i n gs o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n s ，t h ec h e m i c a lr e a c t i o ns t a r t i n gt i m el e n g t h sa r er e s e a r c h e da n dv a l u a b l e e x p e r i m e n tr e s u l t sa r eo b t a i n e d c o n s t a n t l yi n c r e a s i n gt h ee t c h i n gr a t ei sg e n e r a l l yc o n s i d e r e da st h ef o u n d a t i o nf o r t h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h ew e t - e t c h i n gt e c h n o l o g y b e c a u s ec o m p a r e d 、) l ，i t l l d r y - e t c h i n gt e c h n o l o g y , t h ed e f e c t si n c l u d i n gl a t e r a le t c h i n gc a l lb eo v e r c o m eo n l yb y c o n t i n u o u sa c c e l e r a t i o no fe t c h i n gr a t e t h u st h e a d v a n t a g e so fw e te t c h i n g ：w i d e a p p l i c a t i o ns c o p e ，l o wc o s ta n de x c e l l e n ts e l e c t i v ee t c h i n g p r o p e r t ys t a n do u t w i t ht h e c o n t i n u o u si m p r o v m e n to fe t c h i n gr a t e ，t h eh i g l lc o n t r o la c c u r a c yo ft i m ei sr e q u i r e d 1 1 1 ec h e m i c a lr e a c t i o ns t a r t i n gt i m el e n g t hh a sg r e a ti m p a c to nc o n t r o l l i n gt h ef a s t e t c h i n gt i m e s of a rt h ee f f e c t i v et e c h n o l o g yt om e a s u r et h er e a c t i o ns t a r t i n gt i m el e n g t h i sl a c k e d ar o u g he s t i m a t eo rc o m p l e t en e g l e c ta r ei nm o s tc a s e s s ot h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to ff a s te t c h i n gi ss l o w e dd o w n f r o mt h ep h e n o m e n o nt h a tt h eh e a t g e n e r a t i o ni nt h ec h e m i c a lr e a c t i o n ，t h i st h e s i sh a sm a d et h o r o u g hr e s e a r c ht ot h e e t c h i n gd r o p l e to nt h es u r f a c eo ft h em a t e r i a la n di n f r a r e dr a d i a t i o nc h a r a c t e ro ft h e e t c h i n gl i q u i dm e m b r a n e t h ei n f r a r e dt h e r m a lr e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e mi su s e dt o c o l l e c tt h ei n f r a r e dg r e yi m a g er e a l - t i m e l yo ft h el i n e a r i sl i q u i dm e m b r a n ec a u s e db yt h e s l i d i n gd r o p l e t so nt h ev e r t i c a lm a t e r i a ls u r f a c e t h ei n f o r m a t i o na b o u tt h er e a c t i o n s t a r t i n gt i m el e n g t hi sa c q u i r e ds u c c e s s f u l l y v 4 ) a so n eo ft h ec r i t i c a ls t e p s ，s t u d yo np r o c e s s i n gt e c h n o l o g yd e t e r m i n e st h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o nr e s u l t so fl a w e t h el a s e r - a s s i s t e da q u e o u se t c h i n gp r o c e s s i n g s y s t e m i s p r o p o s e di n t h i s t h e s i si n c l u d i n ge t c h - r e s i s t a n tf i l mm a s k i n gm e t h o d ， o d e r - s e l e c t i v ee t c h i n gm e t h o d ，e l e c t r o d ee t c h i n gm e t h o da n dt w o - s t e pe t c h i n gm e t h o d a c c o r d i n gt ot h es e l e c t i o no fm e t h o d s ，t h ee t c h i n go nt h ed i f f e r e n tm a t e r i a l sa r er e a l i z e d s u c c e s s f u l l y i d e a le t c h i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e d e t c h - r e s i s t a n tf i l mm a s k i n gm e t h o d ：c o v e rt h es u b s t r a t es u r f a c eo nw h i c he t c h i n gi s n o tr e q u i r e dw i t he t c h - r e s i s t a n tf i l m a n dl a s e ri r r a d i a t e st oe t c ht h er e g i o nw i t h o u tt h e f i l m e l e c t r o d ee t c h i n gm e t h o d ：e t c h i n ge l e c t r i cc u r r e n ti sf o r m e di nt h es o l u t i o nb y a p p l y i n ge l e c t r i cv o l t a g ea n dc a u s e st h ei n t e r m e d i a t ei o np r o d u c tt os e p a r a t ef r o mt h e s u b s t r a t es u r f a c e o d e r - s e l e c t i v ee t c h i n gm e t h o df o c u s e do nt h eu s i n go r d e ro ft h e m i x e ds o l v e n t s t w o s t e pe t c h i n gm e t h o dt a k e sa d v a n t a g e so ft h ee t c h i n gr a t e d i f f e r e n c e si nt h ed i f f e r e n td i r e c t i o no ft h em a t e r i a l st op r o l o n go rs h o r t e nt h ee t c h i n g s p a n i nt h ep r a c t i c a le t c h i n gp r o c e s s i n g , o n eo rm o r ep r o c e s s i n gm e t h o d sc a nb e a d o p t e df o rd i f f e r e n td e m a n d s v a r i o u sp r o c e s s i n gm e t h o d sa r ea n a l y s e ds e p a r a t e l yb y t h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n , t h e a b o v ef o u rm e t h o d sb u i l d i n gt h eb a s i cp r o c e s s i n gs y s t e mc a nm e e t m o s te t c h i n gn e e d a n dg a i ni d e a le t c h i n gr e s u l t s 5 ) l a w e h a st h ev i t a ls i g n i f i c a n c ef o rt h ea p p l i c a t i o no ft h ed e v i c ef a b r i c a t i o n a n di t sp r o p e r t y sr e s e a r c h b a s e do nl a w et e c h n o l o g ya st h ep r o c e s s i n gf o u n d a t i o n , a no m n i d i r e c t i o n a ls e l f - a l i g n e dc i r c u l a rd e t e c t o ri sd e s i g n e da n da no p t i c a l l yc o n t r o l l e d h i g l l t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n ga t t e n u a t o r ( i t c a nr e a l i z et h ea c c u r a t e s i g n a l a t t e n u a t i o n ) i sf a b r i c a t e d a sf a ra sik n o w , i ti sf i r s tr e p o r t e db o t hi nd o m e s t i ca n da b r o a ds u c ha sm e a s u r i n g m e t h o dt oo b t a i nt h em a t e r i a lr e a c t i o ns t a r t i n gt i m el e n g t h ，t h es u r f a c er o u g h n e s so f e t c h i n gp r o c e s s ，s e l f - a l i g n e dc i r c u l a rd e t e c t o r , l a s e r - a s s i s t e da q u e o u se t c h i n gp r o c e s s i n g s y s t e m ，o p t i c a l l yc o n t r o l l e dh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n ga t t e n u a t o ra n dt h e r m a l e n v i r o n m e n td i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n go ft h ee t c h i n gs o l v e n ti nt h el a w e p r o c e s s k e yw o r d s ：l a s e rm i c r o p r o c e s s i n g ，l a s e ra s s i s t e dw e te t c h i n g ，i n f r a r e dt h e r m a l i m a g e ，s e m i c o n d u c t o r , r e a c t i o ns t a r t i n gt i m el e n g t h ，d e t e c t o r , o p t i c a l l yc o n t r o l l e d a t t e n u a t o r v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 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 确的说明并表示谢意。 签名： 酗盈 日期： 。) 年，王月) 2 e l 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) ?i 签名： 自盈导师签名：坦乏：塑乡 u 日期：o 7 年f 2 月2 乙日 第一章绪论 1 1 研究意义及背景 第一章绪论 刻蚀技术受到越来越多的关注与重视。以半导体为例，半导体刻蚀技术是半 导体器件研究与制作的重要组成部分，随着功能集成化与生产自动化成为半导体 器件研究的两个最重要发展方向，半导体刻蚀技术也逐步成为国内外学者研究的 核心内容之一。 一方面，就半导体器件集成化研究而言，集成器件的材料组成、结构设计相 对复杂，主要是以半导体加工技术为基础，通常采用“淀积一光刻一刻蚀”等工 艺得以实现，其中“刻蚀 是关键的一环，其效果将直接决定光器件的性能。2 0 0 4 年与2 0 0 5 年发表在p h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t e r s ( p t l ) 上的文章，近一半与半导 体集成技术有关；近十年来，美国非常注重调整产业结构，缩减传统仪器工业， 凭借其科技和资金方面的优势，发展技术密集的现代光学仪器，已经顺利开拓如 半导体刻蚀机等微细加工设备及检测仪器市场；而与之相反，中国集成设备或器 件的进口额2 0 0 5 年高达6 0 0 亿美元，远远高于进口石油的3 0 0 亿美元；中国半导 体行业协会理事长俞忠钰更是明确指出：“要有长远的眼光，鼓励基础技术研究的 开发创新，现在集成技术进入后摩尔时代，要加强对下一代新型刻蚀技术等的研 究 。可以看出，半导体刻蚀技术的研究对于器件集成化研究，乃至整个半导体产 业的持续发展均具有重要意义。 另一方面，半导体器件生产自动化可以降低人力成本、提高产量和节约生产 场地，因此半导体器件生产自动化技术的研究将是降低成本的关键。据 e l e c t r o n i c a s t 估计，2 0 1 1 年至2 0 1 5 年，自动化组装与测试设备的销量将逐步达到 1 7 1 亿美元，1 0 年后，光电子器件产值中的7 0 8 0 将由全自动或半自动化组装生 产。可以说自动化技术和自动化生产线的出现是光电子行业开始走向成熟的标志 和发展的必然，这对于我们许多人有过的“中国人在劳动密集型的光器件制造业 中有优势”的理念敲响了警钟，并应认真谋划应对策略。而美国激光集锦( l f w ) 等杂志已多次报道：由于自对准技术等的进步已使半导体器件自动化生产实现突 破，半导体器件生产自动化主要分为可自动化生产半导体器件的设计与机械手自 动化组装设备的研制两个方向，而可自动化生产半导体器件的设计更是实现生产 电子科技大学博士学位论文 自动化的根本所在。凹槽、圆孔等半导体表面微结构的实现，对于提高可自动化 生产半导体器件设计能力、减小器件体积、简化设计结构、实现器件功能集成等 均具有非常重要的意义。因此，半导体“刻蚀 技术的研究进展将直接影响半导 体器件生产自动化的发展。 综上所述，半导体刻蚀技术的研究，将大大推动半导体器件在集成化与自动 化生产两个重要方向的发展，具有重大的应用价值。对于半导体刻蚀技术的选择， 国内外普遍采用化学腐蚀和干法离子刻蚀两种技术，随着半导体器件的发展，对 半导体结构的要求越来越高，两种刻蚀技术的固有缺点严重地束缚了半导体器件 的结构设计与制作，并进而制约了半导体器件朝集成化与自动化方向的发展。半 导体的激光诱导液相腐蚀与普通化学腐蚀相比，可以有效地消除晶体取向影响， 制作出更加多样化的腐蚀图形；与激光诱导气相腐蚀相比，其工艺条件更加容易 实现，操作更加简单；与干法离子刻蚀相比，对基片无离子损伤，过度腐蚀容易 控制，成本低。正因如此，激光诱导液相腐蚀技术逐渐成为国内外学者研究的热 点，并有可能成为下一代主要刻蚀技术之一。 激光化学辅助刻蚀技术属于激光微细加工技术的一种，至今仍存在许多问题， 腐蚀工艺与进程实时监测技术这两道障碍一直严重地制约其发展。首先，从半导 体腐蚀效果来看，半导体激光化学腐蚀表面均匀性不高，各点之间存在较为明显 的高度差：腐蚀速率不稳定且速度较慢，外界因素影响较大；腐蚀图样形状难以 控制，横向腐蚀明显且晶体取向影响严重；腐蚀图样侧壁垂直度不高等等。再次， 从半导体激光化学腐蚀进程实时监控来看，因影响因素众多，至今没有提出实现 进程实时监控的有效解决方案。 针对以上情况，首先，本论文致力于激光化学诱导液相腐蚀技术的研究，提 出应用红外热像技术实现激光化学腐蚀进程的实时监测，可以对半导体腐蚀中的 热生成及其热对流进行有效监测，将不易获得的腐蚀速率、溶液中热对流特点等 转化为可视化的图像信号，并进而表征出腐蚀表面均匀性和反应启动时长等重要 参数。此外，本论文还提出了包括抗蚀膜掩蔽法、次序选择法、电极法与两步腐 蚀法的系列方法，有助于解决腐蚀表面均匀性、晶体取向影响以及侧壁垂直度等 诸多难题，并将其成功应用到圆孔型探测器、高温超导衰减器等器件的刻蚀工艺 中。腐蚀工艺与进程实时监测技术两大难关的攻克，必将实现我国半导体刻蚀技 术的跨越式发展。 2 第一章绪论 1 2 技术研究进展 激光辅助腐蚀同属于激光微细加工和激光化学的研究范畴，在该领域，国内、 外学者一直从事着频繁而深入的研究，取得了许多重要的研究成果。各项技术有 其相通之处，也有其独特的应用背景和特点，因激光诱导液相腐蚀的应用环境更 加复杂，在原理、工艺、监控以及实际器件制作中至今仍存在很多难题，成为众 多学者一直关注的焦点。 1 2 1 激光微细加工的技术研究进展 激光微细加工技术作为一种新工艺技术，有着广阔的应用前景，各国自上世 纪7 0 年代末期开始，在激光微细加工技术方面开展了越来越活跃的研究。激光微 细加工技术具有直接写入、低温处理等独特的优越性，因此，在光电集成、光电 子、微电子、集成光学等领域都可能得到广泛的应用。 激光微细加工技术涵盖面较广，包括了激光再结晶、激光辅助淀积、激光退 火、激光合金、激光辅助掺杂、激光辅助腐蚀等各个领域【l 】。 进入8 0 年代以后，随着激光器尤其是准分子激光器制做技术的成熟和发展， 激光辅助掺杂技术受到光电子和微电子专家们的广泛注意和研究，而对激光辅助 掺杂的研究，最早始于在2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初2 。3 1 。 与常规的掺杂技术相比，激光掺杂有以下几个独特的优点： a ) 陡峭的超浅结 激光掺杂容易获得杂质浓度超过固溶度、具有变化很陡的杂质浓度分布的超 浅结，这是由于激光束的强聚焦性能，对基片表面的加热可以高度定域，时间可 以很短； b ) 平滑结面 激光掺杂可以在多晶硅掺杂中防止杂质晶粒间界隙扩散，因而可以形成平滑 的结面，这是因为准分子脉冲激光的卓越性能，可以使衬底表面瞬时熔融； c ) 结深与浓度的精确控制 通过光脉冲能量和光脉冲数目的控制，可以实现结深和掺杂浓度的精确控制； d ) 直接写入 利用计算机控制的聚焦激光扫描，可以实现无掩模的“直接写入”图形掺杂， 将常规工艺需要多步加工才能完成的掺杂过程由激光“直接写入”一步完成； e ) 高空间分辨率 电子科技大学博士学位论文 由于杂质源的热分解速率、热扩散系数与温度t 呈非线性关系，掺杂线宽可 以比激光束的焦斑直径小得多，用大于2 朋的束斑，可以获得o 3 朋的线宽，因 此，掺杂图样可以具有很高的空间分辨率。 固态激光掺杂和气相激光掺杂是按照掺杂所用杂质源的情况，对激光掺杂进 行的一种划分。气相激光掺杂的工艺要求相对固态激光掺杂来说，存在各种使用 条件上的限制，其要求要相对高一些，但也有着更为广泛的应用环境。固态杂质 源的激光掺杂使用范围非常有限，虽然对各种工艺条件要求低，但因其自身的特 点，也决定了使用范围的有限性。因此，无论是固态激光掺杂还是气相激光掺杂， 都有其相应的优缺点，需要根据使用环境进行有效的选择。 在激光掺杂领域的研究，美国、德国、日本、法国、乌克兰等国，均有大量 学者进行了广泛的报告，其中，包括美国的d j e h r l i c h 课题组、gi cg i u s t 课题 组、德国的p b a u m g a r t n o 课题组、同本的yh a t a n a k a 课题组、k s e r a 课题组、 韩国的c h e o n - h o n gk i m 课题组、e u ns i kj u n g 课题组、法国的d o m i n i q u e 课题组、 乌克兰的a p o k h m u r s k n 课题组、y u b o n c h i k 课题组等等，这些课题组均在激光掺 杂领域进行了深入和长期的研究，涌现出大批有价值的研究成果，并对后期的研 究起着重要的指导意义，包括：氢离子激光器在s i 中掺硼的应用【4 】；氢离子激光 器在g a a s a i g a a s 量子阱中掺z n 的应用f 5 】；n 型或p 型s i s i g e g e 异质结构中激 光诱导掺硼或者锑的应用【6 】；激光掺杂制作单电子晶体管的应用【7 1 ；s i 、i n p 及g a a s 等材料中的激光固相掺杂的应用【8 】等等，结果显示，激光固相掺杂过程可与离子注 入和传统的扩散技术相比拟，可被有效地用于电子器件的制做【9 j 。另外，还包括准 分子激光在多晶硅薄膜中进行n 型和p 型掺杂的应用【l 川；激光辅助掺杂技术进行p 型重掺杂的应用【l l l ；制做多晶硅t i 叮( t h i nf i l mt r a n s i s i t o r s ) 的漏、源接触层的 应用【1 2 】；激光作光源并一次完成晶化、钝化及掺杂的应用【1 3 】；准分子激光诱导掺 硼制做超浅结的应用【1 4 】；激光掺杂在s i g e 中实现超浅结的应用【i5 j 等等。 与激光辅助掺杂一样，激光退火和激光辅助淀积也都受到学者们的高度重视， 已经拥有了广泛的应用，更有着更加广阔的需求与前景。激光掺杂是指使用激光 来确保半导体表面的辐照区保持合适的温度，从而达到