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深圳坪山新区硅微细加工工艺及应用有哪些

2013年12月18日 01:15:00 发布

早期的制造业以湿法刻蚀为主。湿法刻蚀是将覆盖有抗蚀光刻胶的基底放人化学腐蚀剂 中,胶层镂空处的基底材料在化学腐蚀剂的作用下开始腐蚀。腐蚀速度根据所采用的腐蚀剂 和被腐蚀的材料种类会有很大不同,在一定的时间后达到所需要的腐蚀深度,获得微结构件。
硅微细加工技术分为体加工和面加工,体加工主要指各种硅刻蚀技术,而面加 工则指各种薄膜制备技术,下面将分别阐述。
1.体加工技术
(1)硅刻蚀方法分类
刻蚀法分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类。
早期的制造业以湿法刻蚀为主。湿法刻蚀是将覆盖有抗蚀光刻胶的基底放人化学腐蚀剂 中,胶层镂空处的基底材料在化学腐蚀剂的作用下开始腐蚀。腐蚀速度根据所采用的腐蚀剂 和被腐蚀的材料种类会有很大不同,在一定的时间后达到所需要的腐蚀深度,获得微结构件。 
化学刻蚀不仅可用于硅材料的腐蚀,还可以用于金属、玻璃等很多材料,是应用非常广泛的微 细结构图形制备技术。腐蚀过程又因基底材料的不同可以分为各向同性腐蚀和各向异性腐 蚀。各向同性湿法腐蚀中,被腐蚀的基底材料是均匀且各向同性的,由于腐蚀速度在各个方向 上的-致性,因此腐蚀过程中会出现侧蚀的现象,腐蚀过程的可控性差,图形的分辨率受到限 制,难以获得高深宽比的槽或者筋板结构。各向同性的湿法刻蚀如图7.1所示。
各向异性腐蚀与基底材料的结晶取向密切相 关。硅材料具有立体晶体结构,是一种各向异性 材料,在三个晶面上表现出不同的性质。硅晶体 的三个晶面法线方向表现出不同的力学性能和抗 腐蚀能力。在半导体工业中常用到{100}、{111}
两个晶面。{100}晶面是唯一可以再垂直界面上分解晶体的晶面,而丨111}是最难腐蚀的晶面。 硅在{111}和{100}晶向腐蚀速度比为1:400。可以认为硅材料的各向异性腐蚀是在某一个方 向产生腐蚀,在其他方向上几乎不发生腐蚀的定向刻蚀。硅各向异性刻蚀在几何形状控制上 有很多优点,可以制作出许多具有垂直侧壁的微机械零件。
当半导体制造业进人微米、亚微米时代以后,要求刻蚀的线宽越来越细,传统的湿法化学 刻蚀因其固有的横向钻蚀、无法控制线宽甚至造成断裂,已经不再适应科研及生产的要求,取 而代之的是以等离子体为基础的干法刻蚀。这种方法是将被加工的硅片置于等离子体中,在 带有腐蚀性、具有一定能量离子轰击下,反应生成气态物质,去除被刻蚀膜。此种方法具有各 向异性。下面将详细介绍干法刻蚀。
干法刻蚀种类较多,常见的有等离子刻蚀(分为圆筒型和平行电极型)、反应离子刻蚀、反 应离子束刻蚀、增强反应离子刻蚀等。
等离子刻蚀(Plasma Etching,简称PE)
PE是比较早期的刻蚀方法,腐蚀气体在高频电场(标准工业频率13. 56 MHz)作用下,发 生电离形成辉光放电,产生等离子体,利用离子与薄膜间的化学反应,生成挥发性物质,由真空 抽走,达到刻蚀的目的。这种刻蚀速率较快,但是各向异性差。适用于微米级线宽刻蚀,早期 以筒式为主,后来出现平行板式,多片加工变成单片加工。
反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching,简称 RIE)
RIE是在反应式平板式反应器的基础上使阴极与阳极的面积比为2 : 1?3 : 1,被加工的 硅片放在阳极板上,被激励的等离子体与阳极板表面形成偏压加速正离子溉射进行刻蚀,反应 离子刻蚀以物理溅射为主,兼有化学腐蚀。为了获得高度的各向异性,通常利用侧壁钝化技 术,即在刻蚀露出的侧壁上形成聚合物和二氧化硅保护膜,使侧壁不受刻蚀。这种刻蚀有着比 较好的各向异性,但刻蚀速率要低一些。
反应离子束刻蚀(Reactive Ion Band Etching,简称 RIBE)
RIBE是改进的离子束刻蚀(IBE),加人离子源的气体不是惰性气体,而是反应气体。这  
两种刻蚀方法都是通过一个栅电极从等离子体中萃取离子而形成离子束,避免了硅片与等离 子体直接接触。栅电压是可以调节的,以控制离子能量;通过控制等离子体的电离程度来控制 离子束密度,从而控制刻蚀速率。
4>增强反应离子刻蚀(M Reactive Ion Etching,简称MRIE)
MRIE是改进型RIE刻蚀,目的是为了增强离子能量。它在RIE反应室周围增加了磁场 呈90°的磁铁,使电子在磁场作用下成螺旋状行进,增加与气体分子碰撞的机会,增加等离子 体密度,提高刻蚀速率。
(2)刻蚀工艺
在干法刻蚀的工艺过程中,物理溅射作用越高,侧向刻蚀越小,各向异性越好,但是其选择 性差,刻蚀速率低,对硅片损伤大,?而化学刻蚀作用对刻蚀性能影响恰恰相反。现代干法刻蚀 工艺的理想特征是:
①离子平行入射,以产生各向异性;
②反应性的离子,以提高选择性;
③高密度的离子,以提高刻蚀速率;
④低的入射能量,以减轻硅片的损伤。
在目前的应用中,反应离子刻蚀最为普遍,其次是平行电极型等离子体刻蚀。
在半导体实际生产中,主要被研究的刻蚀材料是二氧化硅和氮化硅。对二氧化硅所用的 反应气体主要是chf3、chf3/o2混合气体、CHF3/CF4混合气体;对氮化硅所用的反应气体 主要有CHF3/Oz混合气体、CHF3/He混合气体、CF4/He混合气体。

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