（微电子学与固体电子学专业论文）反应离子刻蚀的计算机仿真.pdf

摘要 m e m s 工艺设计与实验验证的周期长，成本高，因此准确有效地模拟m e m s 加工工艺非常迫切。 同时，一个具体的m e m s 器件加工过程将会涉及到较多的工艺步骤，为了有效的控制加工过程和选 择工艺参数，对工艺流程的设计和模拟是必不可少的。由于反应离子刻蚀( r i e 。r e a 嘶v ei o ne t c h i n g ) 具有较快的刻蚀速率，并且是具有高选择比的各向异性刻蚀，所以反应离子刻蚀在m e m s 加工中得 到了广泛地应用，是重要的m e m s 加工工艺之一 反应离子刻蚀是个极其复杂的过程，构建m e m s 工艺c a d 系统，精确模拟反应离子刻蚀的过 程是关键之一。有效、精确的模拟反应离子刻蚀过程，并且与其他m e m s 加工工艺，例如各向同性 沉积的模拟相结合，以至模拟整个m e m 8 的加工过程，建立m e m $ 工艺c a d 系统，对于m e m s 的设计和制造具有重要意义。 论文首先简单介绍了m e m s 与m e m sc a d ；接着简单介绍了m e m s 加工中的常用刻蚀工艺； 然后介绍了反应离子刻蚀的常用模型以及常用模拟算法；在分析了反应离子刻蚀机理后，分析了论 文采用的工艺模型，采用线算法模拟反应离子刻蚀过程，并采用线算法和元胞算法的混合算法对模 拟过程进行了改进，采用c + + 语言编制模拟软件；软件能够较为精确的模拟反应离子刻蚀过程，能 够模拟非对称掩膜情况下材料的刻蚀过程，能够模拟反应离子刻蚀的l a g 效应，能够模拟不同温度， 不同离子能量条件下的刻蚀，以及能够与其他加工工艺模拟相结合，模拟多道加工工艺的过程。最 后比较了一定条件下的刻蚀结果和模拟结果，比较了l a g 效应的实验结果和模拟结果，比较了多道 加工工艺结合的实验结果和模拟结果，两者吻合的较好。 关键词： m e m $ ，反应离子刻蚀，计算机辅助设计，线算法和元胞算法的混合算法，模拟软件 a b s t r a c t t h em e m sd e s i 舯di 拯e x p e f t m e n t a lv 耐f i e a t i o na 辨a1 0 n gt e r m dh i 曲c o s tp r o c e s s , i c s n e c 鹳s a r yt os i m u l a t et h em e m sp r o c e s sa c c u r a t e l y 强de 伍c i 料蚶y a t 也es 锄et i i r l e ，m a n yp r o c e s s e sa 心 i n v o l v 酣t om 锄u f h c t u r cm e m sd e v i l s t i i es i m u l l i o no f as e r i 薛o f m a n u f a c t u r i n gp r o e e s 辩si sd e s i 化d t dc o m r o lt h ep r o c e s s e s 卸d0 p 矗m i z e 曲e 口a 舢黜e f so fo r o e e s s e se 丘i c i e n ny s i n c e 廿l ee t e 埘n gr a t eo f r l e ( r e a c t i v el o ne t c m n 曲p r o c e s si sl a r g e 朗dr j ei sah i 曲s e l e e t i v h y 粕i 咖i ce t c h i n g ，r 正i sw i d e l y u s e di nt l l em a n u f t u r i n go f m b m s 鞠dj ti s 彻eo f t l l em o s ti m p o r t a n tm e m sp r o s s e s r i ei sac o m p l i e a t e dp r o c s s - 蚰u l a t i n gr i ea c c u r a t e l yi si m p o r t a n tt of o 彻am e m sc a ds y s t e m g r a t i n gt h ee 茄c i e m 锄da c c u r a t es i m u l 鲥o no fr i ew 弛s i m u l a ：t i o no fo t h e rm e m sp r o c e s s e s f o r e x a m p l ei 蛐o p i ed e p o s i f i 硼幻f - o 廊am e m sc a ds y s t e mi si m p o r t a n tf - o rm ed 韶j g n 锄dm 卸u f 抽t u f l g o f m e m s f i r s t , m e m sa n dm e m sc a da r ei n t r o d u e e x ti l lb f i e s e e o n d l y ，m ee t c h i n go r o c e s s 髂i nc o m m o nu s e a r ei n 删u e e di nb r i e ft o o t h i r d l y ，t h em o d e l so fr i e 粕da l g o f i t h r n so fs i m u l a 廿o ni nc o m m o nu m i l l 仃o d u c e d a 最盯t h em e c h a n i s mo fr i ei s 删y z e d ，t l i em o d e l 峭e di i lt i l i sp a p e ri sm 订o d u e e d 柏d 却a l y z e di nd e t a i l t h es t r i n ga l g o f i t h mi s 嘴e dt ds i m u l a t et h e 酣e h i n gp r o c e s sa n dt l es 砸n g - e e lh y b 棚 a l g o f i t h r ni sr e e dt 0i m p r o v em es i m u l a t o n 1 1 l es i n l u l a l i 0 i l t t w a r ei sf i n i s h e db yr u i n gc + + a n df i n a l l y m es o i r e ec 柚s i m u l a t ei u ep r o c e s sa c e u r a t e ly i tc 锄s i m l l l a t ee t c h i n gp r o c e s so f t l l em a t e r i a lu n d e rt h e a s y m m e l r i cm a s k i tc 柚s i m u l a t et l i el a ge f f e c to fr m i tc a ns i m u l a t et l l ec t c h i n gp r o $ sw i 伽v “a b l e p r o c e s st e m p 鼬m r e 锄dv 撕a b l ei o ne 1 1 蜘；y i ta l c a l lb ei l l t e 耵融e dw i t i ls i m u l a t i o no f o t h 盯p m c e s s e st o s i m u l a t em u l t i p l ed r o c 船s 部a tl a s tt 1 1 e 化s u l to f a i u ep r o c e s sa tac e r l a mc o n d i f i o ni sc o m p a r e d 州t l lt l l e r e s u l t so fs i 廿l u l 舐o 1 i i l e 佗s u l to f l a ge f f e c ti sc o m p a r e dw i l l lr e s u l to fs i m u ! 硝o i l ，t h er e s u l 拓o f m u l d p l e p r o c e s s e sa r ec o m p 删w i t i l n l er e s u l 馏o f s i m u l a t i o n ，r e s p e e t i v e l y 觚dt 1 1 e yf i tw e k e y w o r d s ：m e m s ，r e a e t i wi o n 队i l i l l g ，c a d , s t r i n g - c e l lh y b r i da i g o r i t l l n i s i i i l u l a l i s o f i 、v a 东南大学学位论文独创性声明 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，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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 表示了谢意。 研究生签名： 皋盍 日 期：2 山；7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生繇圭童：导师躲裤日期：厶胁， 第一章绪论 1 1i v i e m s 简介 第一章绪论 m e m s 是m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e n 1 s 的缩写，简称微机电系统。m e m s 技术的起源可追 溯到2 0 世纪6 0 年代，1 9 8 9 年后，m e m s 一词就渐渐成为一个世界性的学术用语，m e m s 技术的研 究与开发也日益成为国际研究的热点。与m e m s 一词同时流行的还有m i c r o m a c h i n e ( 微机械，日本) 和m i c r os y s t e m ( 微系统，欧洲) 。当前，常常不加区分的与m e m s 通用。 微机电系- - 2 j i i , ( m e m s ) 是微电子技术与其它微型信息处理技术( 各种能进行信息与能量传输和转换 的系统) 相结合的产物；是新兴的、多学科交叉的技术，它涉及了微电子学、机械学、材料学、力学、 声学、光学、热学、生物医学、电子信息等多个学科，并集成了当今科学技术许多尖端研究成果， 在信息、通讯、航空、航天、生物、医疗、环保、工业控制等领域都有广泛的应用前景。 通常认为m e m s 具有以下的非约束性特征”j ： 尺寸在微米到毫米范围之内，区别一般的宏( m a c r o ) ，即传统的、大于l 厘米尺度的机械， 但并非进入物理上的微观层次； 基于( 但不限于) 硅微加工技术( m i c r o - f a b r i c a t i o n ) ； 与微电子芯片类同，可大批量、低成本生产，性价比比传统机械制造技术有大幅度提高； m e m s 中的“机械”具有广义的概念，它代表一切具有能量转化、传输等功能的效应，包括力、 熟、声、光、电、磁乃至化学、生物能等； m e m s 发展的重要目标之一是微“机械”与l c 相集成的微系统智能微系统。 i 垄卜一 匦丑一 徽 匝丑一 传 执 l 塑卜 感 行 瓜虿卜 菩 嚣 与其它微系统的通讯接口 眄耻 ( 光电磁) 感测嚣 图1 - 1典型的m e m s 系统与外部世界相互作用示意图 根据以上特征，用微电子技术( 但不限于此) 制造的微小机构、器件、部件和系统都属于m e m s 范畴，微机械和微系统只是m b m s 发展的不同层次。 对于目前大多数的研究而言，徽电子机械系统可简单的理解为：在半导体衬底( 主要是s i 和g a a s ) 上，利用微加工技术制作出的三维傲结构或微系统。这是从材料和工艺的角度来描述微电子机械系 统。如果从组成结构的角度，m e m s 系统主要包括微型传感器、执行器和相应的信号处理电路。图 1 i 2 1 给出了典型的m e m s 系统与外部世界相互作用的示意图。 东南大学硕士学位论文 1 2 m e m s 发展历程 m e m s 技术是在微电子技术的基础上发展起来的。自1 9 4 7 年s c h o c l d e y 、b a r d e e n 和b r a t t a i n 发 明晶体管到现在，微电子技术在一系列创新工作的推动下，直按照摩尔定 ( m o o r e ) 的规则高速发 展。集成电路( i c ) 技术已经经历y 4 , 规模集成( s s o 、中规模集成( m s d 、大规模集成函s d 、超大规模 集成( v i s i ) 等阶段，目前正朝着特大规模集成( u l s d 的方向发展。集成电路( i c ) 技术的高速发展依 赖两方面的动力： 该技术( 微电子技术) 本身的潜力和人类技术总体已达到了使其快速发展的水平； 受到信息社会发展需要的强大推动。 当前，信息技术发展的方向是多媒体( 智能化) 、网络化和个性化( 移动式) 。而且，计算机、通讯 和消费电子正在融为一体。人们要求电子信息系统获取、存储海量信息，以极高的速度精确、可靠 地传输、处理这些信息，并及时地把有用信息显示出来或加以利用。无论从微型化还是从性能价格 比发展看，信息获取( 传感) 技术和信息执行技术，即所谓“外部设备”技术都已成为发展的瓶颈；它 们与“主机”的接口也成为阻碍处理速度的关键。m e m s 技术的目标就是把信息获取、处理和执行 一体化地集成在一起，使之成为真正的系统。对于传统的“机械学”来说，m e m s 技术不仅打开了“微 尺寸”新领域的大门，也是真正实现机电一体化的开始。 虽然m e m s 技术取得了很大进步，但m e m s 技术的发展仍然面临着许多问题。除了少数m e m s 产品进入商品化外，相当一部分m e m s 研究依然停留在实验室阶段。目前，m e m s 发展面临的困难 主要表现在以下几个方面p j ： m e m s 基础理论的研究： 虽然m e m s 器件比宏观器件小很多，但并没有进入物理上的微观范畴，而是介于宏观和微观 之间，因此称之为介观。相应的物理问题就称为介观物理。 尺度效应是m e m s 中许多物理现象不同于宏观现象的一个非常重要的原因，其主要特征是1 4 1 ： ( 1 ) 微构件材料的物理特性的变化； ( 2 ) 在传统理论中常常被忽略的表面力将起重要作用： ( 3 ) 某些微观尺度短程力所具有的长程作用效应及其所引起的表面效应将在微构件尺度起重 要作用； ( 4 ) 微摩擦与微润滑机制对微机械尺度的依赖性以及传热与燃烧对微机械尺度的制约； ( 5 ) 随着尺寸的减小，表面积与体积之比相对增大，因而热传导、化学反应等速度将加快。 目前在m e m s 理论基础研究方面已取得了一些进展，但尚不系统。除了微摩擦学等分支外， 大多是结合具体材料和器件的研制过程进行的。 m e m s 中的材料科学： 材料对m e m s 器件的结构和特性都有极大的影响，因此材料的研究对m e m s 来说是十分重要 的。目前，m e m s 材料科学研究的主要方向是： ( 1 ) 研究与认识已有材料在新形态下的性质，例如研究材料的微观特性； ( 2 ) 开发与研制新材料。 新材料的出现往往会导致新器件的产生，或大大提高和改善原器件的性能，因此新材料研究永 远是具有生命力和有重要意义的工作。目前，新材料的研究主要集中在研制新的功能材料和具 有新结构的材料两方面。 m e m s 中的设计技术： 和成熟的i cc a d 相比，m e m s 的设计是非常复杂而艰难的，这主要是由于： ( 1 )m e m s 涉及多种学科，因此要求具备的知识基础很宽； 2 第一章绪论 ( 2 )m e m s 所涉及的介观领域，有许多规律与现象还不被人们了解和认识，即基础理论不充 分。 ( 3 )微机械种类很多，即使在同一类中，其结构、功能也千差万别，因此很难用统一的模式 来规范其设计。 m e m s 设计技术目前的状况是： ( 1 )没有一种成熟的设计技术； ( 2 ) 设计仿真工具很不完善； ( 3 )主要借助经验进行设计，只有少数成熟的软件( 如a m y s 和c o v e n t o r w a r e 等) 被用于器件 的微结构设计。 1 3m e m s c a d 的现状 随着m e m s 结构变得越来越复杂。尺寸不断变小，m e m s 设计的难度不断增加，m e m s c a d 成为实现m e m s 产业化需要解决的关键技术之一。对于m e m s 这样复杂的系统来说，c a d 系统的 支持是必不可少的，c a d 系统的应用能够帮助优化m e m s 的结构和工艺设计，减少试制成本，缩 短设计周期，增加产品的市场竞争力。 经过近2 0 年的发展，商业化的m e m sc a d 软件已经用于m e m s 器件的设计与加工仿真。国 外现有的m e m sc a d 软件主要有美国麻省理工学院和美国c o v e n t o r 公司共同研究开发的 c o v e n t o r w a r e 、m i c h i g a nu n i v e r s i t y 的c a e m e m s 、i b m 研究开发的o y s t e p , 、斯坦福大学研究开 发的s u p r e m 、伊利诺斯大学研究开发的a c e s ( a n i s o t r o p i cc r y s t a l l i n ee t c h i n gs i m u l a t i o n ) 、比利时 c a t h o l i cu n i v e r s i t y 的c a p s i m 和德国的s e n s o r 系统。其中c o v e n t o r w a r e 是目前功能比较齐全、 比较强大的m e m s 计算机辅助设计平台，它已经发展成为一个微机电系统快速的数值仿真框架，其 它产品的设计思想都和m e m c a d 的相类似p l t 6 1 。近年来我国政府对m e m s 研究非常重视，在政府 的资助和高校、科研机构的共同努力下，我国的m e m s 器件研究工作已取得了很大的进展。但是与 国外相比仍存在着较大差距，在m e m s 器件的工艺模拟和器件计算机辅助设计方面还很落后。原因 一是起步比较晚，二是实验条件比较差，三是开始时重视程度不够，投入的资源有限。因此目前尚 无完整成熟的设计软件平台。 1 4 m e m s c a d 简介 m e m sc a d 所需要的建模和模拟可以分为工艺建模、器件建模、系统建模和工艺模拟、器件模 拟、系统级模拟等不同层次。工艺建模和模拟的目的是通过建立每一步工艺的物理模型，采用合适 的算法，模拟出m e m s 的拓扑结构。希望能够根据给出的工艺参数及二维的版图信息得到精确、可 视的三维几何结构，这样就能真正实现m e m s 三维结构及其对加工过程的模拟，并能利用有限元分 析工具对三维结构进行诸如机械、熟和电等物理分析。这样利用m e m sc a d 软件不仅能模拟工艺 过程，还可以优化制造工艺和m e m s 结构，通过改进版图设计与制造工艺就能得到性能良好的 m e m s 结构，可以有效地缩短m e m s 产品的设计周期，降低m e m s 产品的开发成本。 图1 - 2 p 1 显示了m e m s 工艺模拟的流程。首先，工艺物理模拟器从工艺表中获得数据( 包括工 艺参数和版图) 。接着，几何形貌模拟器模拟出工艺加工后的m e m s 结构的几何形貌并对每个关键 的m e m s 工艺进行物理性的检查。然后，对整个工艺进行检查，看看是否有过应力的结构，是否有 断裂的绝缘层，k o h 湿法腐蚀拐角补偿特性设计是否合理等等。要注意的是并不对版图进行设计规 则检查，而是工艺设计相关的物理性检查。对微装配的器件，会进行一次最终的结构形貌检查。 3 东南大学硕士学位论文 一旦物理性检查和几何形貌检查完成，就可以进行器件行为分析了。然后，根据器件性能分析 对设计做的修正重新进行工艺和几何形貌精度方面的检查川。 i 工艺参数 版匿 l i工艺表 i 。 1 5 课题的背景及意义 几何形i 貌与结i 构特性广 。+ 器件行 为分析 l 计检查 图1 - 2m e m s 工艺模拟流程图 反应离子刻蚀( r i e ) 是利用一定压强下刻蚀气体在高频电场的作用下，使气体辉光放电产生分 子激励和活性基，对刻蚀物离子轰击和化学反应生成挥发性气体形成刻蚀。反应离子刻蚀工艺不但 广泛地应用在微电子领域，而且是集成光学，微光机电集成加工的重要手段i s l 。 反应离子刻蚀已经成为m e m s 制造工艺中重要工艺之一。开发r i e 模拟软件可以降低m e m s 器 件设计与研制成本，缩短研发周期，避免不必要的损耗。并且可以通过改变模拟条件，得到不同的 模拟结果，以此来选择最佳工艺条件。 反应离子刻蚀工艺受到射频功率，气流量，温度，刻蚀图形等条件的影响，r i e 模型需要反映 出刻蚀速度和这些条件的关系，r i e 模拟需要模拟出各种条件下的刻蚀轮廓。目前现有的一些r i e 模型采用了实验提取参数的方法，这种方法的优点是和设备结合较好，缺点是使用前需要较多的实 验来确定这些参数。另外一些r i e 模型考虑的条件比较单一，比如温度对速度的影响，这种模型的 缺点是不能反应出多种条件的变化对刻蚀结果的影响。所以采用一个考虑多种条件的r i e 模型来设 计一个能模拟多种条件下r i e 刻蚀的软件显得很重要。 1 6 课题主要工作 本论文主要研究运用线算法和元胞算法的混和算法模拟m e m s 加工工艺中的反应离子刻蚀工 艺过程。论文第一章简单介绍了m e m s 与m e m sc a d ；第二章简单介绍了m e m s 加工中的常用刻 蚀工艺、重点介绍了反应离子刻蚀，以及反应离子刻蚀的常用数值模型和常用模拟算法；第三章分 析了反应离子刻蚀机理，详细分析了论文采用的模型以及采用线算法和元胞算法的混合算法模拟刻 蚀过程；第四章介绍了模拟软件，并模拟了一般条件下的反应离子刻蚀结果，模拟了反应离子刻蚀 的t a g 效应，不同温度、离子能量下的刻蚀过程等；第五章比较了模拟结果和相应的实验结果，两 者吻合的较好。 4 第一章绪论 1 7 本章小结 本章简单介绍了m e m s 以及m e m s 的发展历程。接着简单介绍了m e m sc a d 的意义，国内 外m e m sc a d 的现状，m e m sc a d 的架构和流程。然后从反应离子刻蚀的意义，目前反应离子刻 蚀模拟的现状等方面来说明课题的意义。最后简单介绍了课题所做的工作。 5 东南大学硕士学位论文 第二章常用刻蚀技术及反应离子刻蚀模拟现状 2 1m e m s 工艺中的常用刻蚀技术 刻蚀是m e m s 加工工艺中的重要工艺之一，常用刻蚀工艺有以下几种。 2 1 1 湿法刻蚀i l i 湿法腐蚀是一个纯粹的化学反应过程，湿法腐蚀有高选择比，通常不产生衬底损伤。由于反应 产物通常出现在刻蚀溶剂中，故湿法刻蚀由三个步骤组成：刻蚀剂移动到硅片表面；与暴露的膜发 生化学反应生成可融解的副产物；从硅片表面移去反应生成物。由于所有这三个步骤都必需发生， 最慢的一种称为速率限制步骤，它决定着刻蚀步骤速率。由于通常我们都想获得高的，均匀的，受 控良好的刻蚀速率，所以湿法刻蚀溶剂通常被以某种方式搅动，用以帮助刻蚀剂到达硅片表面，并 且帮助去除刻蚀生成物。一些化学刻蚀工艺使用一种不问断的酸性喷雾以确保一直有新鲜的刻蚀剂 供应。但是这样导致了大量的化学试剂费，生产成本上升。 最近几年，湿法腐蚀已经逐渐在复苏，已经开发了自动湿法腐蚀台。它允许操作者能够精确地 的控制腐蚀时间，槽温，搅动程度，槽内的化学剂成分，喷雾腐蚀的雾化程度。 2 1 2 等离子刻蚀 与湿法腐蚀相比，等离子刻蚀有几点明显的优点，等离子可以容易地开始与结束；而且等离子 对硅片上温度的微小变化不是那么敏感。这两点使等离子刻蚀比湿法刻蚀更容易重复。等离子刻蚀 因为有高的各向异性，对于小的特征尺寸特别重要。典型的等离子刻蚀工艺中，被刻蚀的膜的表面 受到离子、原子团、电子及中性粒子的攻击。化学攻击有离子流和原子团流，这种轰击通常影响几 个原子厚度的表面。 常用等离子刻蚀技术有如下几种。 2 12 1 高压等离子刻蚀f l l 最早引入i c 制造的等离子设备是在2 0 世纪7 0 年代早期，它利用高压低功率等离子体完成刻蚀 的工作。在这种工艺中，等离子体用来开始或结束化学反应或刻蚀，通过从一种惰性物中产生反应 的粒子。离子的能量非常低，刻蚀工艺主要依靠等离子体的化学作用。 2 1 2 2 离子铣i l 】 与高压等离子体刻蚀相比较，离子铣是刻蚀工艺中的另一个相反极端。因为在其中使用了惰性 气体如氩气，单一的离子铣或离子束刻蚀并没有刻蚀物的化学反应参入。这是一个纯粹的机械过程， 有时称其为类似喷砂的微机械过程。刻蚀过程的物理特性完全和溅射相类似。离子铣和高压等离子 体相比有两个重要特性：定向性和实用性。腐蚀的定向性是由于离子束中的离子是通过一个强垂赢 电场来加速的，反应室的压力很低，故原子间几乎不可能碰撞。因此，当原子撞击硅片表面时原子 速度是近乎完全垂直的。因为它是非化学性的，所以对所有材料都可以做到各向异性刻蚀。离子铣 的第二个优点是它可以用来刻蚀许多种类的原料，包括化合物和合金，即便是在没有适当的挥发性 刻蚀生成物的情况下。因此，离子铣广泛应用于制作y b a c u o ，i n a i g a a s 及其他三元物和四元物的 系统中。 离子铣具有能在多种材料上刻蚀图形的能力，但这也是它一个严重缺点，除非在此工艺中加入 6 第二章常用刻蚀技术及反应离子刻蚀模拟现状 化学成分，它对光刻胶和在其下的层的选择性通常接近于l ：1 。离子铣的另一个缺点就是生产能力。 大部分离子源的直径都小于2 0 0 9 i n ，因而对于大尺寸的硅片，离子铣是单片制程。再加上低的腐蚀 速度以及需要高的真空度，使得离子铣在大批量硅衬底生产工艺中是不切实际的。然而，在i v 族 工艺中，小尺寸圆片和每批小数量圆片生产中使用离子铣是可行的。 2 1 2 3 反应离子刻蚀 反应离子刻蚀( r i e ) 是具有高选择比的各向异性腐蚀特性。两种常见的r i e 设备构造如图2 1 1 1 】 所示。 图2 1平板式和六角形式r i e 系统的俯视和侧面图 反应离子刻蚀是一种既有离子轰击作用，又有化学反应的离子刻蚀工艺，它具有刻蚀速度快、 选择性和方向性好的特点。通常情况下，刻蚀气体例如c f 4 和s f 6 等很难与硅和硅化物反应，原因 是这种化学反应所需的能量很高。如c f 4 与s i 反应需要的离解能约5 4 4 k j l m o l ，这使得反应较难进 行。而在反应离子刻蚀中，等离子体的电子气温度很高，高能电子碰撞分子，破坏了c f 键及s - f 键，并由此产生大量的激发态物质。其中氟活性基的浓度最大，而氟活性基是与硅化物反应的主要 物质，反应后生成挥发性物质，其反应式【2 l 【3 i 如下： c f i c f 3 + f o c 只+ f i l c f + f l c + f( 1 ) 7 东南大学硕士学位论文 瓯斗踞+ f l + s f , + f k 跟+ f b 踞+ f l + s f + f l s + f ( 2 ) s i + 4 f _ s f f 1 国 反应式( 1 ) 和( 2 ) 表明在反应离子刻蚀中，由于反应式较高的电子气温度使c f 4 和s f 6 逐步分解成 氟活性基。反应式( 3 ) 表明硅与氟活性基反应生成挥发性s i f 4 。 图2 2 4 1 简单的表示了反应离子刻蚀的表面反应机理。 图2 - 2 反应离子刻蚀的表面反应机理 如图2 - 2 所示，c f 4 和s f 6 分解成c f x ，s f x 和f 离子，f 离子和s j 反应生成挥发性的s i f 4 ，形 成对衬底材料的刻蚀。同时，少量c f 。和s f 6 也会和s i 发生反应，生成挥发性的s t f 4 ，对衬底材料 形成刻蚀。其中f 离子刻蚀占主导地位。 反应离子刻蚀的局限性之一是刻蚀后在衬底上留下残余损伤。r i e 在3 0 0 到7 0 0 e v 能量下通常 可输送1 0 1 5 i o m c m 2 离子流。衬底损伤和化学污染都是严重的问题。在聚合物刻蚀中，后者尤其严重， 因此留下了残留的膜。气相颗粒沉积也是一个重要的问题。此外，我们经常在刻蚀后的硅片表面发 现金属杂质，包括f e ，n i ，n a ，c r ，k 和z n ，这是由于电极、腔体和与等离子体接触的混合物分 子溅射造成的。现在，已经发展了多种技术以去除这些杂质，包括0 2 等离子体处理加酸溶液清洗和 等离子体处理。这些刻蚀后处理的缺点是增加了工艺的复杂性。 r i e 的第二类问题是物理损伤和杂质驱进。在含碳的r i e 刻蚀后，被加工物表面3 0 a 由于过量 浓度的s i - c 键引起的大量损伤，严重损伤可达3 0 0 a 深。r i e 工艺在含氢氛围中也有s i - h 缺陷，电 学方法观察到有4 0 0 a 深，并且难以去除。 8 第二章常用刻蚀技术及反应离子刻蚀模拟现状 2 1 2 4b o s c h 刻蚀 现在m e m s 制造中，深反应离子刻蚀( d r i e ) 已经成为一个广泛应用的关键性技术。 b o s c h 刻蚀技术采用了交替的刻蚀和钝化技术，能够达到深刻蚀的效果。图2 - 3 1 5 】显示了b o s c h 刻蚀的机理。 酗凹 盘硅树扁 一掩腰聚合物 ( c ) 图2 - 3b o s c h 刻蚀示意图，( a ) 硅衬底图形；( b ) 刻蚀步骤； ( c ) 沉积步骤；( d ) 下一刻蚀步骤 图2 3 中，图( a ) 显示了刻蚀的图形，衬底为硅。首先，通过含氯的离子短时间刻蚀材料，达 到图( b ) 所示的图形。然后，转到钝化的过程，在这个过程中，一层聚合物被沉积到暴露的硅表面 和掩膜表面，如图( c ) 所示。接下来，刻蚀过程熏新开始，因为横向的刻蚀速率要远小于纵向的刻 蚀速率，所以侧壁的聚合物被刻蚀的很慢，而底部的聚合物很快被刻蚀掉，暴露出来的硅继续和刻 蚀物发生反应并且被刻蚀掉，如图( d ) 所示。随着刻蚀和钝化的不断交替进行，纵向的材料不断被 刻蚀掉，而横向的材料在聚合物的保护下刻蚀的很慢，从而达到了深刻蚀的目的。可以看出，即使 单步的刻蚀是各向同性的，但是在刻蚀和沉积的交替步骤后，仍然能够得到各向异性的刻蚀效果。 图2 - 4 i ，j 是采用了b o s c h 刻蚀的实验结果图。 图2 4b o s c h 刻蚀工艺实验结果图 9 东南大学硕士学位论文 b o s c h 刻蚀具有高刻蚀速率，高选择性，刻蚀深度大，可刻蚀较大深宽比的沟道等优点。 2 1 2 5 高密度等离子体( h d p ) 刻蚀【1 】 高密度源使用交叉的磁场和电场，急剧地增加自由电子在等离子体中运动的距离。与简单的两 个电极下操作的等离子体相比较，同样的压力下，增加了分解速度和离化速度。高密度的离子和原 子团可用于增加反应速率。 2 2 反应离子刻蚀模拟的常用模型 2 2 1 y a m a m o t o 在e s p r i t 软件中提出的模型 表2 1 1 6 】给出了y a m a m o t o 刻蚀模型的几个组成部分。各向同性的部分和各点的具体位置无关， 并且速度方向沿表面的法线方向；相反，各向异性的部分沿入射离子和分子的方向，并且和入射离 子和分子的数量成比例。 表2 1y a m a m o t o 模型的刻蚀组成部分 气体种类特性 分布方向 离子各向异性高斯分布入射方向 原子团各向异性一致分布入射方向 湿法刻蚀 各向同性一致分布法线方向 假设各向同性和各向异性部分是互相独立的，则总的刻蚀速率为两部分刻蚀速率的线性叠加。 离子源为高斯分布的刻蚀模型如图2 - 5 6 1 所示： 掩膜垂直方向 图2 - 5 离子源为高斯分布的刻蚀模型 以力= 忑1e x p ( - 孓 图中a 点刻蚀速率由下面两个表达式给出： k = 瓦s i n 妒+ e es m e p ( e ) a e + b 竺华 巧= b c o s 妒+ 局r c o s e p ( o ) a e + r r s i n 日2 - _ s i n o l ( 5 ) ( 6 ) 苎三童堂里! ! 丝茎查墨垦壁曼三型塑丝型翌鉴 其中r 。和r ，分别为各向同性和各向异性的刻蚀速率，因此，各点的刻蚀速率可以由上述三式 得出。 c d c 啪嘲 c o n d l t l s m 帆m a s ka s y m m e u * cm a s k 糠t h i c k n e s s - i jf q 一一二i。三二 t h c k10 o m t 帆0 5u m p a t t e r n 聃一t h o 毫0 m h 岫- o 西c 荟墨耋锣羹裂 口_ ，圜 国 崮曛兰量翻 i o n 寸； 鹰髦蚕汐 翮删 圄 嚣薹誊， 、警誊4 7 ” 图2 - 6e s p r i t 软件模拟结果图 图2 - 6 嘲为采用y a m a m o t o 模型的软件e s p r i t 的模拟结果图，从图中可以看出高斯分布的标准 偏差仃对刻蚀结果的影响，以及非对称掩膜对刻蚀结果的影响。 2 2 2k n i z i k e v i c i u s 提出的模型 k n i z i k e v i c i u s 以s f 6 刻蚀s i 为例，提出刻蚀模型。s f 6 电离生成f 离子。f 离子和s i 发生如下 反应： s | + 4 f s i f n 1 k n i z i k e v i e i u s 认为s i f 4 的移除几率国是由解吸附几率口咯和溅射几率缈，组成的，由式8 给出。 国= 缈d + 国，= v oe x p ( 一e d k t ) + 】瓦厂( 盯) c ( 8 ) 公式中，v o 是s i 原子之间的碰撞频率，助是解吸附活性能，k 是波尔兹曼常数，r 是温度，r 是溅射率，而是离子流量， ) = c o s ”口是溅射率和离子入射角的关系，c 是表面原子浓度。 k n i z i k e v i c i u s 给出了s f 6 气体流速为1 0 s c c m ，功率密度为0 2 5 w e m 2 ，入射离子能量为5 0 0 e v ， 气压为0 0 8 p a 时，刻蚀3 5 分钟后实验结果与模拟结果的对比。其中，翻0 = 2 8 0 s 一，n = 2 7 s 一。 图2 7 1 7 l 和2 8 1 7 1 为k n i z i k e v i c i u s 给出的实验结果图和模拟结果图，可以看出两者吻合的较好。 东南大学硕士学位论文 图2 - 7s f 6 气体流速为1 0 s e e m ，功率密度为0 2 5 w e m 2 ， 入射离子能量为5 0 0 e v ，气压为o 0 s p a 时，刻蚀3 5 分钟后的s e m 截面图 孰i # 图2 8 s t 6 气体流速为1 0 s e e m ，功率密度为0 2 5 w e r a 2 ， 入射离子能量为5 0 0 e v ，气压为o 0 s p a 时，刻蚀3 5 分钟后的模拟结果图 2 3 反应离子刻蚀模拟的常用算法 2 3 1 常用模拟算法简介 对空间离散的描绘分为两种方法：1 ) 拉格朗日( l a g r a n g i a n ) 算法( 我们用l 一卯e 标记) ；2 ) 欧拉( e u l e d a n ) 算法( 我们用e - - t y p e 标记) 。如图2 - 9 所示，拉格朗日算法格点由排列的移动边界 组成，即所谓的线算法，已经在d e p i c t - 2 等软件中得到了运用；而欧拉算法中格点是固定的，结 构形状能够从存储在格点中的已知数据推导出来，原胞算法( c e l lm e t h o d ) 和水平集方法( 1 e v e ls e t m e t h o d ) 都属于欧拉算法嗍。 1 2 第二章常用刻蚀技术及反应离子刻蚀模拟现状 图2 - 9 两种算法中表面的移动方式，( a ) 移动格点的拉格朗日方法 ( b ) 固定格点的欧拉方法 2 3 2 线算法 在线算法模型中，材料的表面由一系列的点表示，这些点根据前一时间点的位置，推进的方向 以及推进的速率来决定下一时间的位置【9 】。图2 1 0 为线算法模型的示意图。 图2 1 0 线算法示意图 图2 - 1 0 中，刻蚀材料的表面分成一组等距的不连续的点，由这些点的初始位置可以计算出该点 的推进方向以及推进速率，由s = v x t ，在很小时间段内，假设速度为定值，则可求出 = x a t ，各点在时间t 内推进的距离可表示为：s = x a t ，如果时间出足够小，总 的推进距离就足够精确。 2 3 3 元胞算法i l o l 元胞算法通常具有以下的基本特征： 1 ) 由很多离散的格点组成； 2 ) 时间是离散的推移； 3 ) 用离散或连续的参数来描述格点的状态； 4 ) 每个格点的状态遵循统一的规则随时间变化； 1 3 东南大学硕士学位论文 5 ) 每个格点的状态随时间的变化只与局部领域内的格点状态相关。 实际应用中，常用的元胞算法有一维原胞自动机模型、二维原胞自动机模型、三维原胞自动机 模型。一维模型是把直线分成相等的许多等分，分别代表原胞或基元；二维原胞模型是把平面分成 许多正方形或六边形网格；三维是把空间划分出许多立体网格。 2 3 3 1 一维元胞自动机原理 最简单的一维元胞自动机原理已经研究的比较清楚，设在一条直线上按等间隔方式分布着完全 相同的一系列原胞，每一个元胞只有有限多个状态，对于只有两个状态的情况，用符号0 和1 来表示 它们。 假设上述直线在两个方向上没有限制，因此就有无限多个元胞。所有元胞的状态全体可以用双 侧无限的符号序列表示出来。我们称每一个这样的序列为元胞自动机的一个构形( c o n f i g u r a t i o n ) 。 为了确定起见，可以将分布在直线上的元胞位置与整数全体对应起来，特别是将整数0 对应的位置称 为基点。如果记构形为口，则可以表示成式9 。 口= 0 一口- 1 a o 嘶) ； ( 9 ) 其中瓯是基点上的元胞状态，其余依次类推。每个元胞的状态可看成是一个变量，它只能取有 限值，即有限个状态，于是上述元胞自动机即是一个有无限多个变量的系统。假设时间也是离散化 的，用t 表示时间，它只能取整数值，称r = 0 为初始时刻，它的下时刻为f = 1 , 2 。所有元胞 的状态是同时发生变化的。记在时刻t 的构形为，那么时刻t + l 的构形口“1 完全由口决定。同时， 在时刻t 4 - l 的第f 个元胞的状态是由时刻t 的第f 个元胞以及相邻的距离不超过，的2 ，个元胞的状 态所决定的。用公式写出来即： 口j “= 厂( 口二，c ，彰，q t “，口二，) ( 1 0 ) 其中的映射，与f 和t 都无关。我们称，为领域半径，称厂为元胞自动机的局部映射或局部规则。 记s 为有限状态集，由s ，r 和厂完全确定了一个元胞自动机。厂是从s 2 映入s 的函数。从一 个给定的初始构形口出发，记口o = 口，就可以得到口1 ，口2 ，因此可以将元胞自动机作为动 力系统来研究。下面是一个简单的一维元胞自动机的例子，元胞自动机的演化规律如表所示，邻域 半径，为1 ，得到的演化结果如图2 - 1 l 所示。 t = o r = 1 领域刀一广1 | 1 olool1l0l d l 懈巳团 卫丑丑丑皿 图2 1 1 一维元胞自动机示意图 1 4 第二章常用刻蚀技术及反应离子刻蚀模拟现状 2 3 3 2 二维原胞自动机原理 二维元胞自动机模型是把平面分成许多正方形或者六边形网格，通常，二维元胞自动机考虑两 种邻居：一是v o n n e u m a n n 邻居，一个中心元胞和四个位于其相邻近四周的四个元胞，如图2 1 2 ( a ) 所示；另一个是m o o r e 邻居，一个中心原胞和八个位于其相邻的四周的八个元胞，共九个元胞，如 图2 1 2 ( b ) 所示；另外还有一种比较常用的l 】q u n i f o r m 邻居，如i g t 7 ( c ) 所示。根据实际需要，可以采用 合适的邻居。 l _ ( a ) v o n u 腻m 模型) m o o r e 模型( c ) 咖 b r m 模型 2 4 本章小结 图2 1 2 二维元胞自动机示意图 本章着重介绍了m e m s 加工工艺中几种常用的刻蚀工艺，如湿法刻蚀、高压等离子体刻蚀、反 应离子刻蚀、离子铣、高密度等离子体刻蚀以及用于深刻蚀的b o s c h 刻蚀，其中重点介绍了反应离 子刻蚀的设备与反应机理。接着介绍了反应离子刻蚀计的几种常用模型，如y a m a m o t o 在e s p r i t 软件中提出的模型，r k n i z i k e v i e i u s 提出的模型，并给出了这些模型的模拟结果和实验结果的比较。 然后介绍了反应离子刻蚀模拟常用的几种