微波等离子刻蚀

1、微波等离子刻蚀作 者：管道霞指导老师：杨建荣摘要：利用显影后的光刻胶图形作为掩膜，在等离子体存在的条件下，在SiO2，SiN4金属、多晶硅等衬底上腐蚀一定深度的薄膜物质，得到与光刻胶图形相同的集成电路图形。关键词：等离子体，光刻胶，刻蚀，掩膜一、引言：自然界中物质的形态除了固、液、气三种状态之外，还存在第四态，即等离子体状态。等离子体事故通过一定的手段，（如加热、直流、射频、激光微波等形式激励）使气体分子离解或电力产生的电子、离子、原子、分子或自由基等粒子所组成的集合体。无论气体是部分电离还是完全电离，等离子体中的正电荷总数和负电荷总数在数值上总是相等的，故称为等离子体。等离子体的主要特征是：

2、粒子间存在长程库仑相互作用，等离子体的运动与点磁场的运动紧密耦合，存在极其丰富的集体效应和集体运动模式。等离子体技术是一个具有全球性影响的新技术，近年来以极为迅猛的势头进入到工业应用的各个领域。除已广泛应用于焊接、切割、喷涂、氮化、冶金、化工等方面外，现已渗透在微电子、光电子、光记录、磁记录、平板显示、磁流体发电、材料的表面处理、薄膜和超细超纯微粉的制备等多个高技术领域，作为一种绿色（无环境污染）工业技术，对全世界的高技术产业化和传统产业化的改造都有直接和重大的影响。在等离子体应用技术中，微波等离子体具有低能量、高效率、低成本、无电极和大面积等优点，特别使用与新材料（包括表面薄膜和体材料）的制

3、备、金属制品的表面改性、高聚物制品及薄膜的表面改性、超大规模集成电路及高功率电子器件和光电子器件的制造、纳米结构的材料和器件及机械产品的开发、新型照明光源和紫外光源的开发等高技术领域，是当前离子体反应技术的发展前沿。目前微波等离子体主要在以下方面有广泛的应用：1微波等离子体化学气相沉积制备各种功能薄膜材料，如BN薄膜，金刚石薄膜等。C-BN薄膜具有超高硬度、高热导率和良好的化学热稳定性，在机械、电子等领域具有广泛的应用。由于微波等离子体采用无电极放电，等离子体具有杂志浓度降低的优点，特别适用于制备光学用金刚石薄膜；2利用微波等离子体对材料表面进行改性，如利用微波等离子体对天然丝织物、毛料改性，

4、从而改进天然丝、毛的印染性；对高分子材料进行表面改性，改变材料的物理和化学性能，提高材料的亲水性、粘结性、电镀和生物匹配性。微波等离子体纯度高，密度大，无附产品，不产生环境污染，在材料表面改性上具有独特优势。3微波等离子体清洗材料表面，其具体应用包括：（1）塑料、玻璃和陶瓷表面活化。玻璃、陶瓷和塑料（如聚丙烯、PTFE等）基本上是没有极性的，因此这些材料在进行粘合、油漆和涂覆之前要进行表面活化处理。（2）金属去油及清洁。金属表面潺潺会有油脂、油污等有机物及氧化层，在进行溅射、油漆、粘合、减合、焊接、铜焊和PVD、CVD涂覆前，需要用等离子处理来得到完全洁净和无氧化层的表面。焊接操作前：通常印刷

5、线路板在焊接前要用化学助焊剂处理。在焊接完成后这些物质必须采用等离子方法去除，否则会带来腐蚀问题。另外好的键合常常被电镀、粘合、焊接操作时的残留物写若，这些残留物能够通过等离子方法有选择的去除。同时氧化层对键合的质量也是有害的，也需要进行等离子清洁。4微波等离子体化学合成。如利用氢气和氮气在微波等离子体条件下合成氨；利用甲烷和氢气在微波等离子体条件下合成碳纳米管；利用甲烷和氮气在微波等离子体条件下合成CN纳米管。二、原理：光刻胶在受到光辐照后发生光化学反映，其内部分子结构发生变化，在显影液中光刻胶感光部分与未感光部分的溶解速度相差非常大。利用光刻胶的这种特性，就可以在硅片表面涂上光刻胶薄层，通

6、过掩膜板对光刻胶辐照，从而使某些区域的光刻胶感光之后，在经过显影就可以在光刻胶上留下掩膜板的图形。利用这层剩余的光刻胶图形作为保护膜，对硅表面进行刻蚀。将微波源通过控磁管产生的微波，以TE10模式经矩形波导管、环行器、三螺钉阻抗调配器后到微波谐振腔，依靠调整短路活塞使微波能量集中到反应腔中，从而激发气体放电产生等离子体。然后将等离子体与镀好薄膜并覆盖有光刻胶掩膜版的硅片充分接触，是其发生化学反应-即刻蚀，刻蚀产物为挥发性气体并被抽走。其刻蚀工艺流程图如下： 图2-1三、仪器原理：实验器材：石英管式微波等离子体装置；1000X光学读数显微镜；玻璃基衬底的碳膜、模板等。微波放电是微波能量转换为气体

7、分子的内能，使之电离。以产生等离子体的一种放电方法。这种方法通常采用波导管或天线将由微波电源产生的微波耦合到放电管内，电子被微波电场加速后，与气体分子发生碰撞并使之电离。若微波的输出功率适当，便可使气体击穿，实现持续放电。这样产生的等离子体称为微波等离子体。本实验采用的DH2004型多功能微波等离子体实验装置就是利用频率为2.45GHZ的微波激励稀薄气体放电，有微波源产生的频率为2.45GHZ的微波，沿BJ22矩形波导管以TE10模式传输，经环行器三螺钉阻抗调配器后到微波谐振腔，依靠调整短路活塞使微波能量集中到反应腔中，从而激发气体放电产生等离子体。准备工作：1检测模版的选用是否正确，光刻胶的

8、质量是否满足要求（光刻胶有没有污染、划痕、气泡和条纹等）。2将清洗干净（将分割好的载玻片先用稀硝酸清洗，再使用酒精或丙酮在超声波清洗机上反复清洗两次，然后烘干；或直接老鹰等离子体清洗）的玻璃薄片放入镀膜机，置备一层约10µm厚的碳膜。3将碳膜板放在玻璃基衬底的碳膜上，用干涉显微镜测碳膜的和模板的厚度。4确认设备各部件完好，连接安全（注意接地），观测水位是否至20升（不足20升要注入至20升），看真空泵中油位是否有0.65升，（不足要再注入至0.65升），关闭放气阀，和气路、，将微波功率调至最小。5接通总电源，打开总电源开关按钮，确认冷却水箱水容量及MTC2000水冷控制系统已设定完成

9、后，冷却水开关按钮。6将做好掩膜的样品放到等离子体装置的样品反应室中的基片台上，使样品居于反应平台上，关闭反应室。7打开隔膜阀，确认气路连接规范完好后打开真空泵开关按钮，抽反应室本底真空。8打开热阻真空计电源开关，测量此时反应室的气压。9打开电阻真空计电源开关，抽真空约5分钟使本底真空达到所需要求（以低于500Pa为佳）。测量反应室的本底真空。10当热阻真空计降至1.00Pka时，从电阻真空计上看真空的精确值，并记录下来。11关闭隔膜阀，微开“微调阀”，开“高压”，调节“微波功率调节”至600W左右，可看到阳极电流突然增大，这时看反应腔中是否有紫红光-即等离子体。若没有，则调节反射板、短路活塞

10、或三螺钉阻抗调配器的位置，使得“反射测量”的读数最小。激发等离子体。看到等离子体后记下次时的阳极电流、阳极电压、基片温度、冷却水温度。12待紫红黄在基片上刻蚀5min后，将微波功率降为0，关闭“高压”再关真空计、真空泵、冷却水和总电源。13在光学显微镜下观察样品的外观形貌的变化，用干涉显微镜测出碳膜的宽度和深度，计算刻蚀速率。14按照以上步骤，其他不变，改变微波功率的大小相应的再缩短刻蚀时间，刻蚀几次，分别测量，计算出其刻蚀速率。15图3-1、3-2分别为等离子体刻蚀在玻璃衬底上碳膜的过程示意图和实验刻蚀现象图： 图3-1图3-216按照以上步骤，只改变反应腔中的气压，刻蚀几次，测量各值，计算

11、出刻蚀速率。四、数据记录：热阻真空计（Kpa）电阻真空计（Kpa）发射电流（µA）阳极电流（mA）阳极电压（V）微波功率（W）冷却水（）基片温度（）刻蚀时间（min）刻蚀深度（µm）.5.6（注意：微波功率低于时无等离子体产生）从上到下对应的刻蚀速率（µmmin）.8实验分析：实验数据说明刻蚀速率随着微波功率的增加而增加。当微波功率增大时，气体获得的能量越多，电离概率增大使得离子密度增大，从而提高刻蚀速率。在刻蚀工艺中，刻蚀速率、均匀性及方向性是主要的参数指标，也是刻蚀研究的主要内容，与刻蚀速率有关的因素包括：（1）到达基体的离子、重型自由粒子的通量；（2）离子能量和自由基火星；（3）刻蚀反应阀能；（4）基片的温度；（5）刻蚀槽（孔）线宽及高深比。在影响刻蚀指标的诸多等离子参数中，密度与径向分布均匀是其中两个重要因素。微波功率的增加可以提高反应粒子的通量和能量，因而刻蚀速率随微波功率单调增加。这也是本实验探究的一个方面。此外当改变气压时，电子温度和离子能量随气体气压的增加而单调下降，反应粒子活性及