123第八讲.ppt
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1、薄膜材料与纳米技术 Thin Film Materials & Nanotechnology,北京科技大学材料科学学院 唐伟忠 Tel: 6233 2475 E-mail: 课件下载网址: wztang_ 下 载 密 码: 123456,第八讲,薄膜材料的图形化 Patterning of thin films,提 要,薄膜图形化的光刻技术 光刻使用的等离子体刻蚀技术 等离子体刻蚀机制 未来的纳米光刻技术,有时,并不满足于使用简单形态的薄膜,而需要对薄膜进行有目的的加工,形成特定的图形 对材料的表层(薄膜)进行显微加工,即它的图形化,需要使用表面刻蚀技术 对应于制备薄膜材料的CVD、 PVD
2、技术,则有化学的、物理的表面刻蚀方法;在某种意义上,刻蚀过程是薄膜沉积过程的逆过程 半导体工业的高速发展是表面刻蚀技术的主要推动力,它应用的是光刻的方法,薄膜沉积与其刻蚀技术,八层布线的集成电路的断面形貌,八层Cu导线(灰色)、其间由硬质碳形成的绝缘层(白色)以及其下所连接的0.13m线宽的CMOS器件。这都需要薄膜制备技术,也需要薄膜的图形化技术,Cu,C,CMOS,以光刻技术在薄膜表面获得图形,若要在Si器件表面制备如图所示的SiO2图形,就需要求助于光刻技术,Si,光刻所用的掩膜,掩膜的示意图,掩膜由高度平整的紫外石英玻璃和它上面由电子束刻蚀形成的Cr薄膜图形所组成,前者可以透过紫外线,
3、而后者将对紫外线发生强烈的吸收,半导体技术中所采用的光刻技术,Si片,氧化:形成SiO2层,涂敷:涂光刻胶,加热:光刻胶预固化,掩膜对准,暴光,溶解:去除部分光刻胶,加热:光刻胶固化,SiO2层的刻蚀,溶解或灰化:去除光刻胶,不仅SiO2, 其他的材料,如Si, Al, 也可由光刻方法进行刻蚀,Automatic coat and develop track,依次可完成清洗、涂胶、暴光、刻蚀等工序,光刻过程中的暴光方法,暴光可采用接触式、非接触式、以及投影式的形式。在后者的情况下,可对掩膜的图形缩小10倍,光刻过程中的暴光 GCA 6700 STEPPER,光刻技术制备的显微防伪标记,尺度单位
4、为55m,光刻流程中的刻蚀,存在两种刻蚀方法: 湿法(化学溶剂法), 干法(等离子体法), SiO2层的刻蚀,正负性的光刻胶技术,光刻胶为对光敏感的由树脂、光敏剂、溶剂组成的有机化合物混合体(如SU8) 正性光刻胶在暴光时被分解而易于被溶去 而负性光刻胶在暴光时发生交联而不易于被溶去,以化学溶剂法实现光刻图形时的情况,优点:侵蚀过程有很强的选择性,缺点:对SiO2侵蚀为各向同性过程, 形成“香槟杯”形剖面。在侵蚀深度为1m时,光刻可获得的最小线宽约为3m,即在侵蚀深度:线宽比增加时,须采取各向异性的刻蚀方法应用等离子体的各种刻蚀方法,等离子体刻蚀,当被刻蚀层的厚度与线宽可以比拟时,需采用干法刻
5、蚀 由于刻蚀过程必须是一个低温的过程,因而要借助于等离子体的高活性 对应于制备薄膜材料的CVD、 PVD技术,等离子体刻蚀也将表现出其主要是化学的、或主要是物理的过程 在某种意义上,等离子体的刻蚀过程是薄膜沉积过程的逆过程,等离子体刻蚀,等离子体的刻蚀实际上相当于PECVD的逆过程,等离子体刻蚀的监测,等离子体刻蚀处理的终点监测可依靠监测等离子体的发射光谱的方法来进行 如,在刻蚀光刻胶时,可监测CO在483.5nm的谱线强度的变化,其他材料的刻蚀也有相应的谱线,对等离子体刻蚀技术的要求,较高的刻蚀选择性,Se 较高的刻蚀各向异性,A 精确的亚微米尺度的线宽,良好的剖面形貌 较快的腐蚀速率,等离
6、子体刻蚀的微观过程,等离子体刻蚀时,涉及七个微观过程:,在等离子体中产生活性基团(离子、化学基团),如:e-+Cl22Cl+e- 活性基团从等离子体扩散、输送到表面 活性基团化学吸附到被刻蚀表面 活性基团在被刻蚀表面上扩散 活性基团与表面原子发生化学反应,生成吸附态的反应产物,如:Cl+SiSiClx 反应产物从刻蚀表面脱附 反应产物扩散离开刻蚀表面,被真空系统排除出系统,比较一下:PECVD时的微观过程,在气相中,发生活性基团形成、扩散、反应的过程 在衬底表面,发生吸附、扩散、反应以及脱附等一系列过程,CVD过程,PECVD过程,与薄膜沉积时相似,刻蚀过程也可以由数值模拟方法加以研究,等离子
7、体刻蚀过程的速率,即化学反应速率受温度、浓度、反应激活能等动力学因素所控制,如CVD时一样,Si、SiO2被化学基团F所刻蚀的速度也可被描述为,等离子体刻蚀过程的选择性,一个刻蚀过程的选择性可用参数Se表征 即A,B两种物质被刻蚀的速率之比。它可以是指被刻蚀物质相对于掩膜的刻蚀选择性,也可以是指被刻蚀的两种不同物质的刻蚀选择性 刻蚀过程要尽量地优化Se;一般的刻蚀过程的选择性多不超过50,等离子体刻蚀过程的选择性,优化刻蚀过程选择性的方法有:,利用形成气态反应产物的化学反应的速率要大于形成非气态产物的反应的特性:用O2与光刻胶发生选择性反应,生成CO, CO2, H2O等气态产物 利用形成的化
8、合物越稳定,其反应速率越快的特性:用Cl2等离子体,选择性刻蚀SiO2上的Al 利用改变化学平衡点的方法:虽然在CF4等离子体中, SiO2的刻蚀速率与Si相近,但在等比例的CF4+H2等离子体中,SiO2的刻蚀速率则可达到多晶硅的45倍以上 利用其他动力学因素:如利用Cl对于重度n型搀杂硅的刻蚀能力比未搀杂时的硅高20倍,常用电子材料的等离子体刻蚀方法,等离子体刻蚀过程的各向异性,一个刻蚀过程的各向异性可用参数A表征 即垂直、平行方向上物质被刻蚀的速率之比。各向异性刻蚀时,A=1;各向同性刻蚀时,A=0 在要求大的刻蚀深度/线宽比时,尤其要有高的各向异性的刻蚀特性,等离子体刻蚀过程的选择性,
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- 123 第八
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