（光学工程专业论文）化学辅助离子束刻蚀实验设备设计及其机理的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 化学辅助离子束刻蚀属于干法刻蚀的一种，可用来对物理器件进行微细加 工。这种干法刻蚀方法是在真空环境中加入反应气体利用离子源产生高能离子 束对样品进行轰击，由于反应气体的参与可以大大提高刻蚀速率，而且由于离 子束刻蚀具有较好的刻蚀方向性，所以用这种方法来加工二维光予晶体是一种 较好的方法。 本文基于光子晶体实验研究的目的，研究设计了一套适用于加工光子晶体 的化学辅助离子束刻蚀系统。文中首先讲述了化学辅助离子束刻蚀系统的设计 原理，完成了基本结构设计和设备基本参数的选取，所设计的化学辅助离子束 刻蚀系统能够满足光子晶体制作的基本要求。然后对设备的刻蚀机理做了初步 的研究，最后对刻蚀剖面做了一个简单的模拟。 模拟结果表明：刻蚀过程中的各向同性刻蚀和各向异性刻蚀作用的比例对 刻蚀剖面形状影响挺大，离子束发散角的大小对刻蚀剖面也有较大影响。 关键词：光子晶体化学辅助离子束刻蚀设计原理 刻蚀机理模拟 第1 i 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 a b s t r a c t c a i b e ( c h e m i c a l l ya s s i s t e d i o nb e a me t c h i n g ) b e l o n g st ot h ed r y e t c h i n g m e t h o d i tc a nb eu s e dt om i c r o f a b r i c a t et h es a m p l e i nt h i sd r ye t c h i n gm e t h o dr e a c t i v e g a sw a su s e di nt h ee t c h i n gr o o ma n da tt h es a i n et i m eh i g he n e r g yi o nb e a mf r o mt h e i o ns o u r c eh i tt h es a m p l e t h ee t c h i n gr a t ec a l lb ei m p r o v e dl a r g e l yf o rt h ea s s i s t a n c e o ft h er e a c t i v eg a sa n dt h ei o nb e a me t c h i n gi sa n i s o t r o p i c s ot of a b r i c a t e2 dp h o t o n i c c r y s t a lb yc a i b ei sab e t t e rs e l e c t i o n i no r d e rt of a b r i c a t ea n ds t u d yt h ep h o t o n i cc r y s t a li nt h el a b o r a t o r yw ed e s i g na c a i b es y s t e m i nt h i st h e s i sw ef i r s te x p l a i nt h ed e s i g nt h e o r yo ft h ec a i b es y s t e m t h ew o r ko nb a s i cs y s t e ms t r u c t u r a ld e s i g na n dt h eb a s i cs y s t e mp a r a m e t e r ss e l e c t i o n h a v eb e e nc o m p l e t e d t h es y s t e mw ed e s i g n e dc a ns a t i s f yt h eb a s i cr e q u i r e m e n t so f t h ef a b r i c a t i o no ft h ep h o t o n i cc r y s t a l t h e nw ee x p a t i a t et h ee t c h i n gm e c h a n i s mo f t h ee q u i p m e n t f i n a l l yw es i m u l a t et h ee t c h i n gp r o f i l ew i t has i m p l es t r i n gm o d e l s i m u l a t e dr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h er a t i oo fi s o t r o p i cc o m p o n e n tt oa n i s o t r o p i c c o m p o n e n ta f f e c t st h ee t c h i n gp r o f i l es i g n i f i c a n t l ya n dt h ei o na n g l ed i s t r i b u t i o no f i n c i d e n c em o d u l a t e st h ee t c h i n gp r o f i l ea sw e l l k e yw o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a l ；c h e m i c a l l ya s s i s t e di o nb e a me t c h i n g ；d e s i g nt h e o r y ； e t c h i n gm e c h a n i s m ；s i m u l a t i o n 第1 h 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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。 学位论文题目：焦堂箍助查王塞刻笪塞坠遮查遮让丞基扭堡的壁塞 学位论文作者签名日期：口d 乒年，2 月6 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：也堂箍助商宝刻丝塞坠遮垒遮盐丛基扭望曲盟究 学位论文作者签名 作者指导教师签名 堡丝兰 i 塑垫盎 日期：z d o 毕年f 2 月g 日 日期：zo o q - 年f 2 月6 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 1 1 光子晶体概念 第一章绪论 1 1 光子晶体简介 光子晶体是折射率在空间周期变化的一种光学结构材料，并且折射率变化 尺度与光场波长同尺度。这个概念是1 9 8 7 年由y a b l o n o v i t c h 和j o h n 分别在研 究周期性电介质结构材料对自发辐射的抑制和微小无序的周期性电介质结构 材料对光子局域态的影晌时各自独立的提出来的1 1 ，2 】，它的原理可以和半导体 器件进行类比，半导体晶体中存在周期性排列的品格结构，如图1 1 所示，由 这种晶格结构产生的周期势场能够对在晶体中运行的电子发生布拉格散射，从 而形成一定的能带结构，电子只能在能带中运动，能带之外则禁止运动，能带 和能带之间可能存在空隙( 称为电子带隙) ，能量落在带隙中的电子则禁止在 其中运动。光子晶体也是这样，我们可以人为的制作一些周期性结构，如图 1 2 所示分别为l 维、2 维、3 维光子晶体结构，这些结构中的折射率呈周期性 分布，光子在其中运行时也会受到这种结构的布拉格散射，从而形成类似于半 导体能带的结构，我们称之为光子能带，光子能带之间也可能存在带隙，称之 为光子带隙。频率处于光子带隙中的光波则禁止在光子晶体中传播，这就是说 在光子带隙中不存在任何电磁波传播的模式，如果一种原子的自发辐射频率正 好落在光子带隙中，这种原子的自发辐射会被抑制。与半导体一样，光予晶体中 引入杂质和缺陷时，与缺陷态频率相吻合的光子就会被局域在缺陷位置，而不能 向空间传播。如果该缺陷为点状，处于该缺陷位置的光，一旦偏离该缺陷，就将遇 到一种完善晶体，该晶体又会把光推回；如果缺陷是一条线，频率在光子带隙内 的光将被限制在这一线缺陷内部传播，即使线缺陷有9 0 。的拐弯，光也必然跟 着拐弯。如果该缺陷为y 型，则光就会被分成两路传播。因此，可通过调节缺陷 的结构大小来控制缺陷能级在光予带隙的位置，从而实现光子局域。光子晶体 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的带隙主要取决于其晶格类型、组成材料的介电常数( 或折射率) 配比以及高介 电常数( 或折射率) 材料的填充比等。 1 1 2 光子晶体的应用 图1 1面心立方品格结构 图1 2 光子晶体结构 由于光子晶体能对光子进行调控这一独特的性质，可以用它来制作很多光 子器件，以下是光子晶体的一些应用领域。 1 、 光子晶体激光器 在发光材料制成的光子晶体中引入缺陷从而产生光子带隙中的缺陷模式， 只有符合缺陷模式的光波能在材料中自由传播而被扩增，在这样的材料外层用 国防科学技术大学研究生院学位论文 反射性材料制成“镜子”从而形成一个激光发射腔。被选择的光不断被连续反射 从而频繁穿梭于光子晶体激光发射腔中，故此强度不断被集中而增强。同时， 其它波长的光被光子晶体内部吸收而无法继续增大。这意昧着可以简单得到很 窄波长范围内的激光发射器。而这个波长还可以通过使用特殊的几何学的光子 晶体晶格来进行选择。光子晶体激光器可以做到很小，发出的光可以直接耦合 到光子晶体器件( 如光子晶体光纤) 中，有利于光子器件的集成。 2 、 光子晶体光波导 在光子晶体中引入线缺陷从而形成一个光波导，由于光子晶体对光的约束 机制，一定频率的光能沿着直线光波导无损耗的传播，理论计算表明这种波导 即使在拐弯处也有很高的传输效率。这较之传统的靠全反射传光机制有较大的 优越性。 3 、 光子晶体波导定向耦合器 在光子晶体中引入几条线缺陷形成几条波导，在一定的条件下这些波导之 间就会象普通介质波导一样发生耦合3 1 ，由此可以作成光子晶体波导定向耦合 器，它相对于普通的定向耦合器具有体积小易集成、拐弯角度大和损耗小的优 点，可以在光通信、光信号处理和光计算领域大显身手。 4 、光子晶体偏振器 常规的偏振器只对很小的频率范围或某一入射角度范围有效，体积也比较 大，不容易实现光学集成。最近，我们发现可以用二维光子晶体来制作偏振器。 这种光子晶体偏振器有传统的偏振器所没有的优点：可以在很大的频率范围工 作，体积很小，很容易在s i 片上集成或直接在s i 基上制成。 5 、 光子晶体光纤 把二维光子晶体作成很长的纤维状，就形成了光子晶体光纤。光子晶体光 纤与传统光纤的传光机制有很大不同，传统光纤靠全反射传光，而光子晶体光 纤传光靠的是二维光子晶体的禁带约束机制。英国b a t h 大学的研究人员用二 维光子晶体成功制成新型光纤 4 1 ：由几百个传统的氧化硅棒或氧化硅毛细管依 次绑在一起组成六角阵列，然后在2 0 0 0 度下烧结从而形成直径约4 0 微米的蜂 窝结构亚微米空气孑l 。为了导光，在光纤中人为引入额外空气孑l ，这种额外的 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 空气孔就是导光通道，与传统的光纤完全不同，在这里传播光是在空气孔中而 非氧化硅中。因此光子晶体光纤较传统光纤具有损耗小，传输功率大的优点。 光子晶体最诱人的前景是制作1 5 微米光波的三维光子晶体，在过去的十 几年中光子晶体的研究取得了很大的进展，以现在这样的发展速度，可以预测 在5 年内光子晶体激光器和高亮度发光二极管将作成商品在市场上出售，1 5 年内将作成第一个光子晶体二极管和三极管，2 5 年内用光子晶体作成的简单 逻辑电路和光计算机可以展示出来【5 】。 1 2 光子晶体的实验制备 由于光子晶体有着广阔的应用前景，很多组织和科研机构都投入到光子晶 体的制作之中，目前已形成的制作光子晶体的方法有以下几种：机械钻孔法、 阳极腐蚀法、胶体颗粒自组织生长法、精细加工法等。目前光子晶体的制作倾 向于等离子体刻蚀和离子束刻蚀，其中r i e 6 】( 反应离子刻蚀) 、i c p 7 1 ( 电感耦 合等离子体) 刻蚀、c a i b e 8 - 1 4 】( 化学辅助离子束刻蚀) 是比较常用的几种方法， 这几种方法的加工精度高，各向异性刻蚀性能好，但是实验设备昂贵。 l 、r i e r i e 是r e a c t i v ei o ne t c h i n g 的简称，反应离子刻蚀是通过在样品端接一射 频电源( 如图1 3 所示) ，使充入真空室中的反应气体产生辉光放电，在真空室中 产生等离子体的刻蚀环境。等离子体的边缘形成等离子体鞘层，正离子通过等 离子体鞘层时加速形成对样品的碰撞，发生物理反应，产生的活性粒子和样品 发生化学反应。生成的挥发性产物由真空泵抽出真空室。 2 、i c p i c p 是i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a 的简称，电感耦合等离子体刻蚀也是通 过辉光放电产生等离子体对样品进行刻蚀，如图1 4 所示，电感耦合等离子体 采用双射频电源，一路用来激发电离，产生等离子体；另一路用来产生偏压使 离子向基片运动，从而达到各向异性刻蚀的目的。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 3r i e 结构筒图 獬油 。 ll 叶1 | 一 i a n e n t 打番t s 图1 4i c p 结构图 3 、c a i b e c a i b e 是c h e m i c a l l y a s s i s t e di o nb e a me t c h i n g 的简称，化学辅助离子束 刻蚀是通过离子源产生高能离子束并在真空室中充入反应气体对样品进行刻 第5 页 国防科学技术大学研究生院学伉论文 蚀。这种刻蚀方法的优点是对样品进行轰击的离子和与样品发生反应的气体可 以单独控制，即可以独立控制对样品的各向异性刻蚀和各向同性刻蚀。 除了这三种刻蚀方法，还有由这几种方法混合或添加其他的一些条件而形 成的刻蚀方法，如r i b e f ”1 ( r e a c t i v ei o nb e a me t c h i n g ) 是在离子源中同时充 入反应气体，使刻蚀气体也离化；r b i b e f l6 j ( r a d i c a lb e a m i o nb e a me t c h i n g ) 是在刻蚀气体进入真空室前通过微波腔使气体变为活性气体，从而提高化学反 应的速度；m i b e t l 7 i ( m a g a n e t r o n p l a s m ai o nb e a me t c h i n g ) 是在样品端加射频电 源使进入真空室中的气体形成等离子体，并在外层加磁铁约束离子的运动同时 有离子源产生高能离子束穿过等离子体同样品发生碰撞。由于c a i b e 方法能 够对刻蚀过程中的化学反应和物理反应在较宽的范围内进行独立控制，被认为 是很有前途的一种刻蚀方法。 1 3 课题介绍 光子晶体在理论上已经发展的比较成熟，用f d t d 的方法可以设计出各种 光子晶体光子器件，可在实验上我们还做得远远不够。本课题就是设计用来刻 蚀光子晶体的实验设备，并做一些实验前的理论研究工作。 课题做的设备是化学辅助离子束刻蚀系统，设计系统的结构，选购产品， 并确定如何安装；对设计的系统进行性能分析；对化学辅助离子束刻蚀的机理 进行研究，并试图建立一个刻蚀模型用来指导实验。 课题需要解决的问题是设计出一套高性能的化学辅助离子束刻蚀系统；掌 握刻蚀反应的机理问题。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位沧文 第二章实验设备的设计 2 1 设备筹建思路 光子晶体在理论上已经发展的比较成熟，我们试想着能在实验室里制作出 光子晶体，干法刻蚀是目前用来进行微加工使用较普遍的一种方法，它相对于 其他刻蚀方法如湿法刻蚀有着较多的优点，如刻蚀尺寸小，精度高，方向性好 等，然而干法刻蚀相对于其他刻蚀方法使用的设备也比较昂贵。国外已有成套 干法刻蚀机出售，但出于实验研究的目的，本论文研究设计了一套适用于加工 光子晶体的化学辅助离子束刻蚀系统。我们首先以国外已有的设备作参考，根 据光子晶体研究的具体需求进行自行设计。现在这部分工作已做得差不多了。 2 2 设备结构 c a i b e 系统是一套用来进行微细加工的于法刻蚀实验设备，为了排除其 他气体杂质的干扰，需要一个高真空的实验环境，这需要一个进行实验的真空 室和对真空室的排气系统，同时实验需要用到离子束和反应气体，这需要置备 一个离子源和供气系统。为了给实验输送样品，我们还配置了一个装片室和样 品台。所以实验设备包含这几部分：真空室，分子泵，离子源，气源，装片室 部分和样品台。图2 1 是这几部分的组装图。其中右边是正视图，左边是左视 图。装片室和真空室之间有一个部件叫插板阀，在需要的时候用来隔断和开通 两部分。真空室上面开有许多窗口，其中侧面最大的一个用来连接分子泵，和 它相对的是一个观察窗，真空室侧壁的几个小窗口可以用来连接所需耍的实验 设备。上面的几个窗口中中间的那个窗口连接离子源，其他的可用来做观察窗 和连接其他设备。装片室右端那个长杆叫磁杆，用来给真空室输送实验样品。 各部件之间通过法兰来连接。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 暮手糠 图2 1c a i b e 系统组装图 2 3 设计原理 在这个c a i b e 系统中所有的部件都是围绕刻蚀反应室进行工作的，目的 是为了形成一个良好的刻蚀环境。如图2 2 所示，在反应室周围，分别有离子 源、气路系统、装片系统、真空抽气系统、温度控制系统和检测系统等。这些 部件系统在刻蚀反应过程中分别起着不同的作用，下面分别对几个关键部分做 一简要的介绍。 图2 2c a i b e 系统原理框图 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 3 1 反应室 反应室是刻蚀反应的核心，它的结构参数直接影响着刻蚀的质量。反应室 一般包括真空室和样品台两部分。其中真空室用于维持真空刻蚀环境和放置样 品台，同时也连接着其他部件( 如真空泵、离子源等) 。样品台置放在真空室 里面，用于装载刻蚀样品，样品台的另一端还连接着温控系统，可以通过控制 样品台的温度来控制样品的刻蚀温度。 2 3 2 装片系统 装片系统负责向反应室装卸样品，主要由磁力驱动器、装片室、分子泵和 管路启闭机构构成。其中装片室是用来在实验前和实验结束后放置实验样品 的，实验样品从装片室送到真空室和从真空室取回到装片室通过磁杆来实现， 磁杆是一个通过磁力来控制中间的铁芯运动的一个部件，它可以在不破坏系统 真空状态下进样和交接样品。如图2 3 所示为英国t h e r m ov a c u u mg e n e r a t o r s 公司生产的型号为z l r m 2 z l r v 2 的磁杆示图，磁铁驱动( m a g n e td r i v e ) 可以 在中空的杆上作水平和旋转运动，带动中间的铁芯也作水平和旋转运动。 撕_ o d h m l r m 2 m l r v 2 m 6 h m i _ m l h 图2 3 磁杆 实验前后真空室与装片室是隔断的以保证真空室内的真空环境，这一点是 通过插板阀来实现的，插板阀是高真空环境中用于使管路启闭的一个设备，它 能减少漏气率，维持良好的真空环境。在插板阀开启时，为了不影响反应室中 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的真空环境，在进样前和出样前都需要由分子泵对装片室抽真空。 2 3 3 真空抽气系统 反应室的真空环境是通过与真空室连接的真空抽气系统来实现的，由于反 应气体具有腐蚀性，所以选择的真空泵、阀门及管路都是耐腐蚀的。真空泵由 两部分组成，一部分是主泵，另一部分是前级泵。对真空室抽气起主要作用的 是主泵，它直接影响着真空室的真空度和抽气时间，前级泵负责对主泵预抽真 空和把从主泵排出的气体排放到大气。考虑到从抽气系统的管路中排出的气体 有毒和对空气造成污染，对这些废气也要谨慎处理，采取的办法是在排气口接 管道把排出气体导入化学溶液使之溶解或发生化学反应。 2 3 4 离子源 实验过程中的高能离子束由离子源产生，离子源是一个关键部件，它可以 控制离子束的能量和束流密度，从面控制刻蚀过程中的各向异性刻蚀强度。离 子源分很多种类型，我们选用射频离子源，射频离子源具有体积小、重量轻等 优点，它采用射频放电，适用于有腐蚀性气体的环境中。离子源工作气体是惰 性气体氩气，氩气在离子源中通过射频激励形成等离子体，然后通过离子源的 引出系统进入刻蚀反应室中。 2 3 ，5 气路系统 实验过程中需要用到各种气体，离子源需要氩气，装片室开启时需要充入 氮气，反应室需要反应气体，而且反应气体的流量对刻蚀过程有重要影响。因 此气路系统也是很重要的一部分。气路系统设计有这几部分，首先气源提供气 体，从气源出来的气体压力较大，经过减压阀降低压强，流量控制器控制气体 流量。腐蚀性气体使用的输气管道、流量控制器和减压阀都是抗腐蚀的。气路 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 系统密封性要好，要防止漏气，特别是腐蚀性气体。 2 4 技术实现 组成c a i b e 系统的各部分确定以后，如何合理的把各部分有机连接起来， 实现实验过程中的每一步操作，保护每一部件的使用寿命，而又不影响其他设 备的功能，是需要考虑的一个问题。下面是一些我们解决这类问题的使用方法。 2 4 1 真空泵的连接 真空泵的连接应该考虑到不影响真空泵的抽气，所以抽气管道不能太长， 太长则流导小，会影响真空室的真空度。其次真空泵和真空室之间是通过法兰 连接的，要保证良好的密封性，这在技术上是容易实现的，还考虑到所抽气体 中含有腐蚀性气体，所以所选管道应该是耐腐蚀的，这可以选用优质不锈钢管。 主泵和前级泵之间管道不能太细，不能妨碍主泵排气。为了防止前级泵反油和 回气，在前级泵前接一个充气阀，避免泵油对主泵造成污染和前级泵突然停机 对主泵造成损坏。 2 4 2 装片室的连接 装片室和反应室之间要传送样品，经常需要开通和关闭，这两个部件我们 我们用插板阀来连接，如图2 4 所示，插板阀两端通过法兰连接，它密封性好， 可以作为超高真空管路中的启闭机构。装片室还连接着分子泵、气源和磁力传 动机构，这几部分都通过法兰连接，其中气源接入装片室是通过把气管焊在盲 法兰e 。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 4 插板阀 2 4 3 离子源和真空室的连接 图2 5 离子源 离子源和真空室之间通过法兰连接，如图2 5 所示，离子源自带法兰，从 真空室上面带法兰的窗口接入，如图2 1 。 2 4 4 气源和真空室的连接 气源和真空室主要通过管道连接，首先气源前接一个超净减压阀，再接一 个流量控制器，如图2 6 、2 7 所示为这两个器件的外观图，超净减压阀这种接 口的连接应该先套一个外螺母( m a l en u t ) ，再和内螺母( f e m a l en u t ) 相连， 或者先套内螺母再和外螺母相连。流量控制器的进气出气口应该接一个内螺 母。关于螺母的分类及构成可以参看图2 8 。如何把两根管道连接起来可以参 看图2 9 。 第1 2 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 图2 6 超净减压阀 图2 8 螺母分类及构成 图2 7 流量控制器 气管通过一线性驱动器从底部接入真空室，也可从真空室侧壁窗口接入， 考虑到线性驱动器可以伸缩从而可以调节出气口在真空室中的位置，我们采用 从底部接入的方法，如图2 1 0 所示。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 9 管道的连接过程 2 4 5 气源和离子源的连接 气源端的管道连接和前- - d , 节一样，也是先接一个超净减压阀，再接流量 控制器。离子源有两个接口，所以要置备两路气体，两路气体都是氩气。如图 2 1 0 所示。 2 4 6 温度控制器和样品台的连接 样品台一部分在真空中，一部分露在大气中，真空中的部分可以放置样品， 大气中的部分可以接温度控制器。温度控制器与样品台的连接主要通过两条 线，一条是电耦线用来测样品台温度，一条是加热线，用来接加热丝给样品台 加热。 第1 4 页 图2 1 0 部件连接示意图 2 4 7 样品台和真空室的连接 对于样品台的设计，我们有两种方案。一种方案是通过波纹管与样品台台 面连接，波纹管另一端焊在法兰上，台面下还连着一根支撑竿，支撑竿的另一 头刻有螺纹，可以旋上螺母，如图2 1 l 所示。这种设计方案可以调节样品台 的高度。第二种方案如图2 1 2 所示，样品台台面用一根钢管支撑，钢管另一 端连着法兰，这种设计方案样品台是固定的，但是这种样品台体积小，在真空 室的下面留有空间可以接其他部件。 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 1 1 样品台方案一图2 1 2 样品台方案二 2 4 8 样品的输入与输出 样品的输入和输出是通过磁杆进行的，磁杆又叫磁力驱动器，专用于真空 环境中的操作，这样可以不破坏真空状态。磁杆芯前端要接上载物台，载物台 上放样品，磁杆芯前端有一个小螺孔，我们可以在载物台相应的位置加工一个 和小螺孔匹配的螺钉，然后旋转磁杆，载物台就可以接在磁杆芯前端进行物品 输送了，我们把样品送到反应室中的样品台上，然后退回磁杆，实验做完后又 用同样方法把载物台取回到装片室。 2 5 设备参数 设备设计完成以后，这种设计方案能达到什么样的性能，设备参数如何， 现总结如下： 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 5 1 气流速度 气流速度出流量控错4 器来控制，要和使用气体的设备相匹配，我们要的流 量控制器有两种，一种是普通的，一种是适用于腐蚀性气体的，它们的型号及 流量范围分别为 1 t 7 9 a 2 l c r l b v 用于氩气，0 2 0 s e e m ； 1 4 7 9 a 2 1 c r l b m 用于氯气，0 1 0s e e m 。 2 5 2 离子束面积、能量及离子流密度 考虑到我们加工的样品面积小和其他因素，我们采用4 c m 无灯丝射频离 子束源一一i s 4 0 r f 。 离子束面积为 4 e m 2 ( 考虑到有发散) ， 离子流密度范围为 1m a e m 2 ， 能量范围为1 0 0 2 0 0 0 e v 。 2 5 3 真空室尺寸 真空室的尺寸及其上面所开窗口的位置和大小如图2 ，1 3 所示，真空室高 度为3 9 0 m m ，内直径为2 5 0 m m ，外直径为2 5 6 3 m m ，真空室壁厚3 1 5 m m ， 离子源出口端与样品台之间距离为2 4 1 m m 。其中离子源与样品台之间的距离 是一个关键参数，它直接能影响刻蚀速率的大小和刻蚀剖面的形状。4 c mr f i o ns o u r c e 的工作距离在1 0 0 2 5 0 m m 之间，工作距离越短时刻蚀速率越大，但 离子束发散角也越大，使刻蚀不均匀；工作距离越大时，刻蚀速率相对较小， 却有较好的均匀性。考虑离子源的这种特性，我们取较大的距离，同时考虑其 国防科学技术大学研究生院学位论文 他部件的位置，定为2 4 1 m m 。 2 54 真空室中气体的压强 图213 真空室尺寸 实验过程中需要不断的向真空室输入c 1 2 ，根据真空物理学知识，当真空室 中气流状态达到稳态时，真空系统中各处压强保持不变，流入的气流量等于流出 的气流量，即 。-_。_-_-_-_。_。_-。一_-_-。_。_-_。_-_。一 第1 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 q 2 s p( 2 1 ) s 为真空泵的抽速，p 为真空泵抽气口的压强，q 为流入气流量( 包括氯气流量、 氩离子束流和泄漏气体流量等) 。一般来说泄漏气体或以其他方式存在真空室 中的气体流量很小，相对于工作气体来说可忽略不计，所以在这里q 指的是 c 1 2 和氩离子的流量总和。真空泵抽速s = l5 0 0 ( 1 s ) ，图2 1 4 中实线所示为真空 泵抽气口压强随气体流量的变化关系，他们的关系为线性关系。其中横纵坐标 单位的含义分别为s e e m ：s t a n d a r dc u b i cc e n t i m e t e rp e rm i n u t e ( 标准状态毫升 分，标准状态：1 0 1 3 2 5 p a ，o ) ，1 m b a r = 1 o l 1 0 2 p a ，i m t o r r = 1 3 3 1 0 - p a 。 言 d j 呈 芑 山 q ( s c c m ) 营 。 毫 。 芰 吝 幽2 1 4 ( 实线) 真空泵抽气口乐强与气体流姑戈系曲线 ( 虚线) 真空室压强与气体流鞋戈系曲线 当q = 3 s e c m ，温度为2 0 c 时， p = q s = ( 1 0 l3 2 5 3 2 9 3 5 1 0 3 ) ( 15 0 0 6 0 2 7 3 5 ) = 36 2 1 0 3 p a 根据气流状态判据( 2 2 ) 式1 ， 第1 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 勰dp0625竺pa-m026 5 p am 耋熬子流 z ， d p o 0 2 p 口m 为分子流( 2 2 ) o d p o 为粘滞一分子流i 其中d 为气管直径，单位为 n l 】，p 为管内压强，单位为 p a 】，在这 里d = 2 5 c m ， d p = 0 2 5 3 6 2 1 0 1 3 = 9 0 6 1 0 - 4 p a m 0 0 2p a m( 2 3 ) 所以抽气管中气流为分子流。由( 2 3 ) 式可以得出当气流量有较大数值时，抽气 管中也为分子流。计算抽气管的流导【18 】为 c - 1 2 _ 辱毒观1 x 堡1 6 孺1 最8 x 1 0 2 ( m )3 三 31 6 其中抽气管直径d = 2 5 c m ，长度l = 1 6 c m ，如图2 1 3 所示。真空室出气口流速为 s z = c s ( c + s ) = 3 8 x1 0 2 1 5 0 0 ( 3 8 1 0 2 + 1 5 0 0 ) = 3 0 3 ( 1 s ) ， 真空室内压强为 p z = q s z = ( 1 0 1 3 2 5 3 2 9 3 5x1 0 3 ) ( 3 0 3x6 0 2 7 3 5 1 = 1 7 9 1 0 p a 。 真空室内压强随气体流量的关系如图2 1 4 中虚线所示，也为线性关系。 2 5 5 离子平均自由程 在真空室中有一层稀薄的气体c 1 2 ，氩离子在真空室内运动时主要和c 1 2 发生碰撞，使氩离子发散。在室温时，氩离子的平均自由程【9 】为 互：旦：堡： 2 j 矛f 2 ：而2 1 3 8 l o ”2 9 3 5 x 3 0 3 1 0 3 2 ，8 2 4 1 0 3 3 1 4 x ( 3 , 7 2 x 1 0 “) 2 qq 平均自由程与气体流量的关系如图2 1 5 所示，他们是反比例的关系。 第2 0 页 图2 1 5 氩离子平均自由程随气体流量变化关系曲线 当q ；3 s c c m ，温度为2 0 。c i 对，氩离子平均自由程为 五：一2 , 8 f 2 4 x 1 0 - 3 2 1 。8 1 2 3 4 2 x 5 1 x 0 3 - 3 栅x 2 _ 7 3 洲- 5 x 6 _ 0 6 删9 m 。5 1 9 m m、 氩离巍然嚣蒜嚣 的统计规律，离子在气体中运动的自由拦天寸珀疋“8 以圳：d | | i 。4 取x ；2 4 1 m m ，即离子源与样品台之例的距离则 础刎2 4 归x p 卜游她6 2 8 5 所以有一大半氩离子直接打到实验样品上面，还有一小半的氲离子和氯气发生 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 1 1 湿法腐蚀 第三章刻蚀机理的研究 3 1 刻蚀方法概述 湿法腐蚀是把待腐蚀的固体放在盛有腐蚀液的腐蚀槽中，通过腐蚀液与固 体表面的化学反应去除一部分固体物质。湿法腐蚀容易在掩蔽层边缘下面产生 钻蚀，形成各向同性的侧壁，因而不适合于特征尺寸小于3 t u n 的情形。湿法刻 蚀的好处是对下层材料具有高的选择比，对器件不会带来等离子体损伤，而且 设备简单便宜，对实验室要求也低。可用来形成腐蚀图形( 如形成台面结构用 于器件隔离、形成栅凹槽用于改进器件特性等) 、表面清洁、化学抛光、减薄 芯片厚度、去除损伤层、显示材料的缺陷和损伤等。 3 1 2 干法刻蚀 干法刻蚀技术是指用等离子体激活的化学反应或者用高能粒子束去除物 质的方法，干法刻蚀包含有粒子直接参与反应的化学腐蚀，溅射损伤并去除损 伤的物理腐蚀，损伤和增强离子反应能量的物理化学腐蚀等。干法腐蚀比湿法 腐蚀优越的地方在于精细加工中，干法比湿法消耗试剂少，方向性强，在精确 控制的情况下，侧向腐蚀趋于零，克服了湿法的钻蚀问题。干法刻蚀的主要缺 点是对下层材料差的刻蚀选择比、等离子体( 高能离子束) 带来的器件损伤和 昂贵的实验设备。 3 2 1 概述 3 2 化学辅助离子束刻蚀 第2 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 精细微加工中有两类刻蚀方法，一类是湿法腐蚀，另一类是干法刻蚀，化 学辅助离子束刻蚀属于干法刻蚀，图3 1 是化学辅助离子束刻蚀的原理结构图。 整个刻蚀过程是在真空中进行的，其中上方是离子源向样品喷射高能氩离子， 从侧面输入反应气体，氩离子在反应气体的辅助下对样品进行刻蚀，其刻蚀速 度相对于没有反应气体时大数十倍 2 0 1 ，而且氩离子和活性气体可以独立控制， 这正是这种方法相对于其它干法刻蚀方法的优点。 3 2 2 刻蚀枫理研究 图3 1c a i b e 原理结构图 化学辅助离子束刻蚀有溅射刻蚀的特点，它和反应离子刻蚀也有很多相似 的地方。它的刻蚀机理和其他的干法刻蚀有许多相似之处也有一些不同的作用 机理。 1 、刻蚀反应 化学辅助离子束刻蚀过程中有三种反应，分别是物理反应、化学反应和物 理化学反应。详细分祈如下： a 1 物理反应 国防科学技术大学研究生院学位论文 样品在高能离子的撞击下溅射出原子，发生物理反应，如图3 2 【2 1 1 ( a ) 所示。 发生物理反应的强度和离子能量和离子流密度都有关系，离子能量太大会对刻 蚀样品造成损伤。由于离子束是有一定方向性的，一般是垂直于样品表面，所 以离子束对样品进行各向异性刻蚀。 b ) 化学反应 吸附在样品表面的反应气体在样品热能的驱动下与样品发生化学反应，并 且反应产物从样品表面解吸出来，如图3 2 ( b ) 所示。这一过程称为化学溅射， 一般来说这个反应是很缓慢的，反应速度与反应气体的压强和样品温度都有关 系，这种反应是各向同性的，容易产生钻蚀现象。化学反应控制得当也可以消 除由物理溅射造成的损伤。 c ) 物理化学反应 啊1 _ k i 啊 。f 。 图3 , 2 样品表面的三种刻蚀反应 第2 4 页 黼盛熬 懈 = 警厶 国防科学技术大学研究生院学位论文 吸附在样品表面的反应气体在高能离子的撞击下发生较快的化学反应，反 应产物从表面溅射出来，如图3 2 ( c ) 所示。这种反应在刻蚀过程中起着重要的 作用，因为这种反应相对于前两种反应有较快的反应速度，能大大提高刻蚀速 率和刻蚀的各向异性。关于这种反应有许多人做过详细的描述，般把它称为 离子增强刻蚀。 2 、刻蚀举例 以使用a r + c 1 2 对g a a s 刻蚀为例【22 1 ，其大致反应过程如下，首先一部分 c 1 2 吸附在g a a s 表面， c 1 2 ( g ) 一c l z ( a d s ) g 表示气态，a d s 表示吸附态。 然后吸附的c 1 2 和g a a s 发生化学反应， 昙c 1 2 ( a d s ) + a s a s c l 3 ( a d s ) 1 三c 1 2 ( a d s ) + g a g a c l 3 ( a d s ) 接着在氩离子的轰击下，处于吸附态的a s c l 3 和g a c l 3 从样品表面 解吸附出来，变为气态并被抽出真空系统，其过程如下， a s c l 3 ( a d s ) 一a s c l 3 ( g ) g a c l 3 ( a d s ) 一g a c l 3 ( g ) 3 、刻蚀过程中的几种现象 ( a ) 离子增强刻蚀 离子轰击样品表面能大大加快反应速度，这种现象在7 0 年代末就被人发 现，并利用这种效应形成了现在的化学辅助离子束刻蚀方法。离子束除了能和 样品发生物理反应，还有下面三个作用( 1 ) 提高反应气体在样品表面上的吸附 效率，( 2 ) 向表面提供能量加快反应产物的形成，( 3 ) 撞击吸附在表面的生成物， 提高解吸附效率。j w c o b u r n 和h a r o l df w i n t e r s f ”i 用氩离子和x e f 2 对硅进行 第2 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 刻蚀得到了下面的结果，如图3 3 所示。在前2 0 0 秒输入x e f 2 ，在2 0 0 6 4 0 秒打开离子源输入氩离子与x e f 2 同时进行刻蚀，在6 4 0 秒后关闭气源，让氩 离子单独刻蚀。可以看到使用氩离子后硅的刻蚀速率大增。这种现象对于其他 的反应气体和靶材料也同样存在。 l i 妻 l 卜鹣1 书翩嘲m x t b 鼬卜潲舢_ 一 。麟，搠f 图3 3离子增强刻蚀 这种现象可以用级联碰撞模型来解释【2 川。从微观上分析，可以认为是级 联碰撞激励化学反应，并可简单地看成为离子轰击造成固体表面原子之间键合 的瓦解。在级联碰撞期间，原子脱离表面或移开原来的位置有一定的几率，取 决于受碰撞原子所接受的能量。吸附于固体表面的反应气体粒子受到离子轰 击，可能与材料原子发生化学反应，同时也可能伴随有溅射。低能离子轰击形 成级联碰撞过程中的原子位移分析图如图3 4 所示， 其中图3 4 ( a ) 表示离子与材料原子发生碰撞，级联碰撞过程使材料原子移 到表面，并与吸附气体原子发生化学反应。只是因反应物不具有脱离表面的解 吸附能量，因此仍然吸附于表面上；图( b ) 表示入射离子直接碰撞的是吸附气 体原子，驱使该原子进入表面层中，并且有足够的能量与表层中的材料原子产 生化学反应。当入射离子能量低于5 0 0 e v 时，材料的原子键限制了溅射。多 第2 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 数级联碰撞移位的原子虽不具有脱离表面的动能矢量，但其中有些原子具有克 腻擎 毫| 搴；l 藤予 图3 4 低能离子轰击形成级联碰撞过程中原子移位分析图 ( a ) 离子与材料原子碰撞的级联碰撞过程示意图； ( b ) 离子与吸附气体原子碰撞的级联碰撞过程示意图。 服化学反应势垒的能量。如果级联过程形成的分子是挥发性的，即使一次级联 过程不能使其脱离表面，那么二次或多次级联过程就可能被去除。因此，化学 反应的程度取决于表面吸附气体的通量、离子入射能、离子通量、材料原子结 构和与气体化学反应几率等。值得注意的是，图( b ) 中离子与吸附气体原子的 直接碰撞情况：当反应气体粒子表面覆盖率大时，这种碰撞会大量存在。该过 程可能导致撞击混合，即离子把吸附气体原子驱入下层，并具有与材料原子化 学反应的一定几率，产生反应生成物( 分子粒子) 。在这种情况下，离子轰击物 理溅射功能不再是主导刻蚀因素，但这并不是说可忽视物理溅射效应，因为强 化表面反应过程有时会生成稳定的非挥发性的产物，去除这些产物仍然依靠离 子物理溅射过程。 ( b ) 损伤诱导反应 第2 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 刻蚀过程中由于有高能入射的离子，有可能对样品表面造成一定的损伤， 形成品格缺陷，由于破坏了晶格结构，反应气体很容易与样品表面反应，称之 为损伤诱导反应。 ( c ) 刻蚀温度效应 由于样品表面受到离子的轰击，离子的部分能量转化为热能使样品表面温 度升高，从而导致了刻蚀表面态发生变化，称为刻蚀温度效应23 1 。了解刻蚀 温度效应对使用掩膜、控制刻蚀表面形貌和质量有时是至关重要的。表面温升 主要取决于离子束功率密度。 ( d ) 源耙距效应 化学辅助离子束刻蚀图形有时会出现一种槽底比槽顶宽的轮廓( 槽顶宽度 由掩膜限定) ，这种轮廓叫做底切( u n d e r c u t ) 。出现严重底切可能把刻线底部掏 断，刻线的轮廓如象倒立的三角形一触即溃。造成这种底切轮廓的原因主要有 两个：一个是化学辅助离子束刻蚀过程中的各向异性，另一个就是源耙距效应 ( e f f e c to ft h ei o ns o u c et os a m p l ed i s t a n c e ) 。 源耙距效应是指离子源至刻蚀样品的距离对刻蚀轮廓及其他刻蚀结果的 影确。图3 5 、3 6 【2 4 1 显示了这种效应对刻蚀轮廓的影响。 图3 5 是对这种效应的分析，其中左图是源耙距较小时的情况，离子束发 散角为6 。，出现底切现象严重，右图是源耙距增加了的情况，离子束发散角为 2 。，出现轻微的底切现象。源耙距能改变离子束的发散角，进而也影响了底切 的角度，发散角与离子束的直径和源耙距的比例有关。图3 6 是g a l i n c o l n 等人用化学