光刻 \湿刻＼干法刻蚀有何不同

答案一 在芯片制造的过程中，硅片表面图形的形成主要依靠光刻和刻蚀两大模块。众所周知，光刻的目的是在硅片表面形成所需的光刻胶图形，刻蚀则紧接其后精确地将光刻胶的图形转移到衬底或衬底上的薄膜层上。然而越来越小的几何尺寸使这一目标的达成变得日益困难。通常一个被工程师认可的刻蚀工艺应该包含以下特性： * 良好的刻蚀速率均匀性，不仅仅是片内的均匀性，还包括片与片之间，批次与批次之间。 * 高选择比，被刻蚀材料的刻蚀速率远大于光刻胶和衬底的损失率。 * 无残留，刻蚀过程中不应生成不挥发的、难以去除的刻蚀副产品和微粒。 * 无损伤，即在刻蚀过程中不应产生任何对衬底、薄膜以及器件的电损伤或等离子损伤。 &n bsp; * 不会使光刻胶在刻蚀完成后难以去除。 * 可控的良好的侧壁形貌。 * 良好的特征尺寸(Critical Dimension)控制 * 高刻蚀速率，保证流片量。 通常等离子体干法刻蚀有三种形式：等离子体刻蚀、离子轰击和两种形式的结合反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching）。下表将给出三种刻蚀的特点。 等离子体刻蚀的优势不仅在于快速的刻蚀速率同时可获得良好的物理形貌，还可以通过对反应气体的选择达到针对光刻胶和衬底的高选择比。但是因为整个过程完全是化学反应所以对材料的刻蚀是各向同性的，随着工艺尺寸的持续缩小，这一缺点愈显突出，使它的应用越来越越受到限制，一般仅用于对特征形貌没有要求的去胶(Ashing)工艺。 离子轰击顾名思义是利用高能量惰性气体离子轰击硅片表面，达到溅射刻蚀的作用。因为采用这种方法所以可以得到非常小的特征尺寸和垂直的侧壁形貌。这是一种“通用”的刻蚀方式，可以在任何材料上形成图形，如钛、金等，可惜离子轰击有其致命弱点：刻蚀速率低下同时选择性比较差，能达到3：1以属罕见。 反应离子刻蚀是上述两种刻蚀方法相结合的产物，它是利用有化学反应性气体产生具有化学活性的基团和离子。经过电场加速的高能离子轰击被刻蚀材料，产生损伤的表面，这进一步加速了活性刻蚀反应基团与被刻蚀材料的反应速率，正是这种化学和物理反应的相互促进使得反应离子刻蚀具有上述两种干法刻蚀所没有的优越性：良好的形貌控制能力(各向异性)；较高的选择比；可以接受的刻速率。正是它的这些优越性使得它成为目前应用范围最为广泛的干法刻蚀，所以现在我们提到的干法刻蚀一般都是指反应离子刻蚀。 当刻蚀气体被通入刻蚀反应腔中，在射频电场的作用下产生等离子体辉光放电，反应气体分解成各种中性的化学活性基团，分子、电子、离子；由于电子和离子的质量不同使得质量较轻的电子能够响应射频电场的变化而离子却不能，正是这种差异在电极上产生负偏压 Vdc(Negative DC bias) ，离子在负偏压的加速下轰击硅片表面形成反应离子刻蚀；一个持续的干法刻蚀必须要满足这些条件：在反应腔内有源源不断的自由基团；硅片必须靠等离子体足够近以便反应基团可以扩散到其表面；反应物应被硅片表面吸附以持续化学反应；挥发性的生成物应可从硅片表面解吸附并被抽出反应腔。上面的任一种条件末达到刻蚀过程都会中断。刻蚀的具体过程可描述为如下六个步骤： 1. 刻蚀物质的产生； 射频电源施加在一个充满刻蚀 气体的反应腔上，通过等离子体辉光放电产生电子、离子、活性反应基团。 2. 刻蚀物质向硅片表面扩散； 3. 刻蚀物质吸附在硅片表面上； 4. 在离子轰击下刻蚀物质和硅片表面被刻蚀材料发生反应； 5. 刻蚀反应副产物在离子轰击下解吸附离开硅片表面； 6. 挥发性刻蚀副产物和其它未参加反应的物质被真空泵抽出反应腔； 整个过程中有诸多的参数影响刻蚀工艺，其中最重要的是：压力、气体比率、气体流速、射频电源（RF POWER）。另外硅片的位置和刻蚀设备的结构也会对刻蚀工艺，因此在实际生产中，针对不同的刻蚀膜质设备厂家设计不同的设备，提供不同的气体配比以达到工艺要求   答案2蚀刻(Etching)  蚀刻的机制，按发生顺序可概分为「反应物接近表面」、「表面氧化」、「表面反应」、「生成物离开表面」等过程。所以整个蚀刻，包含反应物接近、生成物离开的扩散效应，以及化学反应两部份。整个蚀刻的时间，等于是扩散与化学反应两部份所费时间的总和。二者之中孰者费时较长，整个蚀刻之快慢也卡在该者，故有所谓「reaction limited」与「diffusion limited」两类蚀刻之分。 1、湿蚀刻 最普遍、也是设备成本最低的蚀刻方法，其设备如图2-10所示。其影响被蚀刻物之蚀刻速率 (etching rate) 的因素有三：蚀刻液浓度、蚀刻液温度、及搅拌 (stirring) 之有无。定性而言，增加蚀刻温度与加入搅拌，均能有效提高蚀刻速率；但浓度之影响则较不明确。举例来说，以49%的HF蚀刻SiO2，当然比BOE (Buffered-Oxide- Etch；HF：NH4F =1：6) 快的多；但40%的KOH蚀刻Si的速率却比20%KOH慢！ 湿蚀刻的配方选用是一项化学的专业，对于一般不是这方面的研究人员，必须向该化学专业的同侪请教。一个选用湿蚀刻配方的重要观念是「选择性」(selectivity)，意指进行蚀刻时，对被蚀物去除速度与连带对其他材质 (如蚀刻掩膜；etching mask， 或承载被加工薄膜之基板；substrate ) 的腐蚀速度之比值。一个具有高选择性的蚀刻系统，应该只对被加工薄膜有腐蚀作用，而不伤及一旁之蚀刻掩膜或其下的基板材料。 (1)等向性蚀刻 (isotropic etching) 大部份的湿蚀刻液均是等向性，换言之，对蚀刻接触点之任何方向腐蚀速度并无明显差异。故一旦定义好蚀刻掩膜的图案，暴露出来的区域，便是往下腐蚀的所在；只要蚀刻配方具高选择性，便应当止于所该止之深度。 然而有鉴于任何被蚀薄膜皆有其厚度，当其被蚀出某深度时，蚀刻掩膜图案边缘的部位渐与蚀刻液接触，故蚀刻液也开始对蚀刻掩膜图案边缘的底部，进行蚀掏，这就是所谓的下切或侧向侵蚀现象 (undercut)。该现象造成的图案侧向误差与被蚀薄膜厚度同数量级，换言之，湿蚀刻技术因之而无法应用在类似「次微米」线宽的精密制程技术！ (2)非等向性蚀刻 (anisotropic etching) 先前题到之湿蚀刻「选择性」观念，是以不同材料之受蚀快慢程度来说明。然而自1970年代起，在诸如Journal of Electro-Chemical Society等期刊中，发表了许多有关碱性或有机溶液腐蚀单晶硅的文章，其特点是不同的硅晶面腐蚀速率相差极大，尤其是<111>方向，足足比<100>或是<110>方向的腐蚀速率小一到两个数量级！因此，腐蚀速率最慢的晶面，往往便是腐蚀后留下的特定面。 这部份将在体型微细加工时再详述。 2、干蚀刻 干蚀刻是一类较新型，但迅速为半导体工业所采用的技术。其利用电浆 (plasma) 来进行半导体薄膜材料的蚀刻加工。其中电浆必须在真空度约10至0.001 Torr 的环境下，才有可能被激发出来；而干蚀刻采用的气体，或轰击质量颇巨，或化学活性极高，均能达成蚀刻的目的。 干蚀刻基本上包括「离子轰击」(ion-bombardment)与「化学反应」(chemical reaction) 两部份蚀刻机制。偏「离子轰击」效应者使用氩气(argon)，加工出来之边缘侧向侵蚀现象极微。而偏「化学反应」效应者则采氟系或氯系气体(如四氟化碳CF4)，经激发出来的电浆，即带有氟或氯之离子团，可快速与芯片表面材质反应。 干蚀刻法可直接利用光阻作蚀刻之阻绝遮幕，不必另行成长阻绝遮幕之半导体材料。而其最重要的优点，能兼顾边缘侧向侵蚀现象极微与高蚀刻率两种优点，换言之，本技术中所谓「活性离子蚀刻」(reactive ion etch；RIE) 已足敷「次微米」线宽制程技术的要求，而正被大量使用中   离子束磁溅射镀膜离子镀的种类是多种多样的。由于不同类型的离子镀方法采用不同的真空镀：镀料气化采用不同的加热蒸发方式：蒸发粒子及反应气体采用不同的电离及激发方式等。具体可分为气体放电等离子体离子镀、射频放电离子镀、空心阴极放电离子镀、多孤离子镀（阴极电弧离子镀）。 1、气体放电等离子体离子镀 其设备与真空蒸镀设备基本类似，蒸发源与基材的距离为20~40cm。工件架对地是绝缘的，可对工件架加负偏压。向真空室充以氩气，当气压达一定值，电压梯度适当时，在蒸发源与基材之间就会产生辉光放电，蒸发便在气体放电中进行，氩气离子和镀料离子加速飞向基材，即在离子轰击的同时凝结形成质量较高的膜。 2、空心阴极放电离子镀 利用空心热阴极放电产生等离子体。空心钽管作为阴极，辅助阳极距阴极较近，二 者作为引燃孤光放电的两极。阳极是镀料。弧光放电时，电子轰击阳极镀料，使其熔化 而实现蒸镀。蒸镀时基片加上负偏压即可从等离子体中吸引氩离子向基片轰击，实现离子镀。 3、磁控溅射 电子在电场有作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。 4、电弧镀膜 电弧离子镀的原理是基于冷阴极自持真空弧光放电理论。在电弧源离子镀中，以镀膜材料作为靶极（阴极），借助引孤装置，使靶表面产生弧光放电。采用低电压、大电流、电弧放电技术，利用气体放电或被蒸发物质部分电离，并在气体离子或被蒸发物质离子轰击下，将被蒸发物质或其反应产物沉积在基片上。它是一种自蒸发自离化式固体蒸发源。这种蒸发源可蒸镀金属材料、合金材料，也可进行反应离子镀，如TiN、TiC、（TiAl）N、ZrN、等超硬膜，Al、Ag、Cu高低温耐蚀膜、不锈钢、黄铜、镍铬、（TiAl）N、Ti、Cr等装饰保护膜等。 在电弧镀膜、空心阴极镀膜、、磁控溅射、离子束镀膜等这许多方法中，其中电弧镀膜被子认为最具有市场价值。他运用了等离子体真空镀膜原理，将电弧镀技术与磁控离子镀技术融合一体，实现多功能镀膜的目的。   离子注入与蒸发镀膜复合技术的应用方向和发展离子注入技术 “我们在广泛而深入地研调国际离子束材料表面改性发展动向的基础上，根据我们所的技术优势，敏锐地捕捉到当时国际上还刚刚问世的 M EVVA源这一新技术，提出了把它应用于强流金属离子注入材料表面改性的发展方向。因为 M EVVA源的发明者布朗博士发明 M EVVA源的本意是用于核物理研究，因此我们提出这一设想是一次技术创新。” MEVVA源离子注入材料表面改性是上世纪80年代后期在国际上发展起来的一项材料表面工程高技术，也是我们所承担的一项863高技术项目。它包括以下2个密切相关的部分： （1）MEVVA源离子注入机的研制； （2）MEVVA源离子注入材料表面改性及其实际应用。为了解读这项高技术，我们先从离子注入讲起。 什么是离子注入？ 我们设想在真空中有一束离子束射向一块固体材料时会发生哪些现象呢？离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中，这一现象就叫做离子注入。 离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。此项高新技术由于其独特而突出的优点，已经在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。作为一种材料表面工程技术，离子注入技术具有以下一些其它常规表面处理技术难以达到的独特优点：（1）它是一种纯净的无公害的表面处理技术；（2）无需热激活，无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；（3）离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学相互作用而形成的一个新表面层，它与基体之间不存在剥落问题；（4）离子注入后无需再进行机械加工和热处理。进行离子注入的设备——离子注入机 离子注入是在一种叫做离子注入机的设备上进行的。离子注入机是由于半导体材料的掺杂需要而于上世纪60年代问世。虽然有一些不同的类型，但它们一般都由以下几个主要部分组成：（1）离子源，用于产生和引出某种元素的离子束，这是离子注入机的源头；（2）加速器，对离子源引出的离子束进行加速，使其达到所需的能量；（3）离子束的质量分析（离子种类的选择）；（4）离子束的约束与控制；（5）靶室；（6）真空系统。非半导体材料的离子注入表面改性 非半导体材料离子注入表面改性研究对离子注入机提出了一些新的要求。大家知道，半导体材料的离子注入所需的剂量（即单位面积上打进去了多少离子，单位是：离子／平方厘米）比较低，而所要求的纯度很高。非半导体材料离子注入表面改性研究所需的剂量很高（比半导体材料离子注入高1000倍以上），而纯度不要求像半导体那么高。 在非半导体材料离子注入表面改性研究的初始阶段，主要是沿用半导体离子注入机所产生的氮离子束来进行。这主要是因为氮等气体离子在适用于半导体离子注入的设备上容易获得比较高的离子束流。氮离子注入在金属、硬质合金、陶瓷和高分子聚合物等的表面改性的研究与应用中取得了引人注目的成功。因此这个阶段被称为氮离子注入阶段。 金属离子注入是新一代的材料表面处理高技术。它利用具有很高能量的某种金属元素的离子束打入固体材料所引起的一系列物理的与化学的变化，来改善固体材料的某些表面性能。研究结果表明，金属离子注入在非半导体材料离子注入表面改性研究与应用中效果更加显著，应用范围更加广泛，许多氮离子注入无法实现的，金属离子注入可以很好地实现。但是，基于半导体离子注入需要的传统离子注入机，要想获得比较强束流的金属离子束是比较困难的，进行非半导体材料离子注入表面改性所需的费用也是比较昂贵的。 M EVVA源离子注入———强流金属离子注入的一场革命 M EVVA源是金属蒸汽真空弧离子源的缩称。这是上世纪80年代中期由美国加州大学伯克利分校的布朗博士由于核物理研究的需要发明研制成功的。这种新型的强流金属离子源问世后很快就被应用于非半导体材料离子注入表面改性，并引起了强流金属离子注入的一场革命，这种独特的离子注入机被称为新一代金属离子注入机。 M EVVA源离子注入机的突出优点有以下几点：（1）对元素周期表上的固体金属元素（含碳）都能产生10毫安量级的强束流；（2）离子纯度取决于阴极材料的纯度，因此可以达到很高的纯度，同时可以省去昂贵而复杂的质量分析器；（3）金属离子一般有几个电荷态，这样可以用较低的引出电压得到较高的离子能量，而且用一个引出电压可实现几种能量的叠加（离子）注入；（4）束流是发散的，可以省去束流约束与扫描系统而达到大的注入面积。其革命性主要表现在两个方面，一是它的高性能，另一是使离子注入机的结构大大简化，主要由离子源、靶室和真空系统这三部分组成。 M EVVA源金属离子注入表面改性技术研究与应用 北京师范大学低能核物理研究所在国家863计划资助下，已经成为国内唯一、国际上为数不多的能够研制和生产新一代强流金属离子注入机之一，获得了2项技术新型专利。北京师范大学低能核物理研究所和北京有色金属研究院合作，在国际上首先开展 M EVVA源离子注入材料表面改性研究及其应用，十多年来取得了许多重要的突破和进展，并获得了3项发明专利。总之，在设备研制和表面处理技术两方面均已具备了将此项高技术推向市场，实现产业化的基础。 在国家863计划的大力支持下，经过十多年的研究和开发， M EVVA源金属离子注入表面技术在硬件（设备）和软件（工艺）两方面均已取得了重要的突破和进展，并已具备了实现产业化的基础。在设备方面，完成了 M EVVAIIA－H、MEVVAII－B和MEVVA50型3种不同型号 M EVVA源的研制，主要性能达到国际先进水平。仅“九五”期间，就已先后为台湾地区、香港地区和国内大学研究所和工厂生产了15台 M EVVA源离子注入机或 M EVVA源镀膜设备。 M EVVA源离子注入机的应用，使强流金属离子注入变得更简便、更经济，效率大大提高，十分有利于这项高新技术的产业化。在表面优化工艺方面，钢制切削工具、模具和精密运动耦合部件3大类、7个品种的 M EVVA源离子注入表面处理，取得了延寿3－30倍的显著优化效果，并已通过国家部委级技术鉴定，成果属国际先进水平。本项目立项之初，国内外有不少人对离子注入材料表面改性的应用前景比较悲观，其中一个重要的原因是英国和美国等工业发达国家的一些著名实验室对于麻花钻等金属切削工具的离子注入表面改性的工业应用试验屡屡受挫。我们经过分析，改进了工艺，取得了提高麻花钻片、片铣刀和三面刃铣刀等金属切削工具使用寿命10倍左右的显著成效，在国际上首次取得了这一方面的突破，并首先实现产业化，受到了国内外的重视。 这项高新表面处理技术的优越性、实用性及其广阔的市场前景已被越来越多的部门和单位所赏识，得到越来越广泛的应用。 根据我们多年来的研究与开发，同时借鉴近年来国际上的新进展， M EVVA源金属离子注入特别适用于以下几类工模具和零部件的表面处理：（1）金属切削工具（包括各种用于精密加工和数控加工中使用的钻、铣、车、磨等工具和硬质合金工具），一般可以提高使用寿命3－10倍；（2）热挤压和注塑模具，可使能耗降低20％左右，延长使用寿命10倍左右；（3）精密运动耦合部件，如抽气泵定子和转子，陀螺仪的凸轮和卡板，活塞、轴承、齿轮、涡轮涡杆等，可大幅度地降低摩擦系数，提高耐磨性和耐蚀性，延长使用寿命最多可以达到100倍以上；（4）挤压合成纤维和光导纤维的精密喷嘴，可以大大提高其抗磨蚀性和使用寿命；（5）半导体工业中的精密模具，罐头工业中的压印和冲压模具等，可显著提高这些贵重、精密模具的工作寿命；（6）医用矫形修复部件（如钛合金人工关节）和手术器具等，其经济效益和社会效益非常好。 这项高技术是一个方兴未艾的新兴产业，硬件设备的处理能力和效率有待进一步提高，在软件（离子注入材料表面改性技术）方面，也有待进一步深化和细化，其应用范围也有待不断扩大。 背景介绍 该项863课题是从1988年开始启动的，它为我们提供了一个千载难逢的机遇。当时离子注入材料表面改性正处于新突破的前夜，有许多人对其应用前景比较悲观，我们成为这一项目的唯一申请者，几乎没有遇到竞争者。我们在广泛而深入地研调国际离子束材料表面改性发展动向的基础上，根据我们所的技术优势，敏锐地捕捉到当时国际上还刚刚问世的 M EVVA源这一新技术，提出了把它应用于强流金属离子注入材料表面改性的发展方向。因为 M EVVA源的发明者布朗博士发明 M EVVA源的本意是用于核物理研究，因此我们提出这一设想是一次技术创新，并且符合国际发展的需要和趋势，至今，离子注入依然是 M EVVA源的主要用途。我们之所以能够争取到这个项目，还因为我们在离子注入材料表面改性技术上在国内有优势。我们是国内最早开展离子注入并在国际上有一定影响的单位之一。 国内外发展概况美国的 I SM Tech．公司是国际上生产 M EVVA源离子注入机的专业公司，在综合技术水平上处于国际领先。上世纪90年代以来先后研制生产了几种不同类型的商用 M EVVA源离子注入机。最近报道的一种多 M EVVA源离子注入机，在真空室里配备了4台 AVIS80－75MEV- VA源，总束流可达300mA，总束斑面积可打12，000cm2，是目前世界上束流最强的 M EVVA源离子注入机。欧美工业发达国家的离子注入表面处理技术这一新兴产业发展情况良好，如美国的 S PIRE公司和ISM Tech．公司、英国的 A EA Industrial Tech．，Tec Vac和Tech－Ni－Plant、法国的 N itruvid和IBS、西班牙的INASMET和AIN、德国的 M AT和丹麦 D TI Tribology Centre等均已经取得了可观的经济效益和社会效益，起了很好的示范作用。他们已经将金属离子注入的费用降低到＄0．05－0．5／cm2的水平，可以被包括医疗、航空、航天、机械等广泛的领域和部门所接受。北京师范大学低能核物理研究所和北京有色金属研究总院合作进行的这一高技术研发处于国内领先，国际先进水平。具体进展如前所述。 知识链接 离子注入：离子注入技术是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成份、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。 M EVVA源离子注入： M EVVA源是金属蒸汽真空弧离子源的缩称。这是上世纪80年代中期由美国加州大学伯克利分校的布朗博士由于核物理研究的需要发明研制成功的。这种新型的强流金属离子源问世后很快就被应用于非半导体材料离子注入表面改性，并引起了强流金属离子注入的一场革命，这种独特的离子注入机被称为新一代金属离子注入机。