第八讲 - 薄膜的图形化技术
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薄膜的图形化技术
光学器件制造
光学器件制造是薄膜图形化技术的另一个重要应用领域。 通过薄膜图形化技术，可以制造出各种光学器件，如透镜 、反射镜、滤光片、光波导等。
在光学器件制造中，薄膜图形化技术可以控制薄膜材料的 折射率、反射率、透光率等光学性质，从而制造出具有高 性能的光学器件。例如，利用薄膜图形化技术可以制造出 高精度透镜、高反射率反射镜、高透过率滤光片等。
微电子器件制造
微电子器件制造是薄膜图形化技术的重要应用领域之一。通 过薄膜图形化技术，可以将微电子器件中的电路、元件等精 细结构制造出来，从而实现高集成度、高性能的微电子器件 。
在制造过程中，薄膜图形化技术可以控制薄膜材料的形状、 尺寸和排列方式，从而制造出具有特定功能的微电子器件。 例如，利用薄膜图形化技术可以制造出微型晶体管、微型电 容器、微型电池等。
薄膜材料的性质和图形化技术的实现方式之间存在密切的相互作用机制，深入研究这一机 制有助于更好地优化材料性能和加工工艺。
拓展应用领域
目前薄膜的图形化技术主要应用于电子、光学、生物医学等领域，未来可以拓展到能源、 环境、航空航天等领域，以满足更多实际应用的需求。
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该技术涉及多个学科领域，包括 物理、化学、材料科学、工程等 ，是现代制造业和微纳加工领域 的重要分支。
薄膜的图形化技术的应用领域
微电子和光电子领域
生物医学领域
薄膜的图形化技术可以用于制造微电子器 件和光电子器件，如微纳集成电路、LED、 太阳能电池等。
薄膜的图形化技术可以用于制造生物传感 器、组织工程支架、药物载体等，有助于 疾病的诊断和治疗。
薄膜的图形化技术具有 以下意义和价值
实现功能化薄膜材料的 提高材料利用率：图形 促进跨学科交叉融合：
123第八讲薄膜的图形化技术
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
尺度单位为55m
光刻流程中的刻蚀
SiO2层的刻蚀
存在两种刻蚀方法： 湿法（化学溶剂法）, 干法（等离子体法）
由高密度等离子体实现的SiO2的各 向异性刻蚀
25nm788nm
集成电路多层 布线技术
镶嵌式（左）：绝缘层光刻-金属层PVD-化学机械抛光 标准式（右）：金属层光刻-绝缘层CVD-化学机械抛光
光刻技术的未来: 莫尔定律（Moore’s Law）
为协调半导体技术的发展，国际半导体行业协会(SIA)每年都在制 定International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS
氧化：形成SiO2层
溶解：去除部分光刻胶 加热：光刻胶固化
涂敷：涂光刻胶 SiO2层的刻蚀
加热：光刻胶预固化 掩膜对准
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
未来的光刻技术
当今主流的光刻技术已是90nm线宽的技术；下一 代光刻技术则是所谓的65nm、45nm线宽的技术
目前主要使用的光刻光源是波长为193nm的ArF 激光。下一代光刻技术据说将使用波长为157nm 的F2激光、13nm的极紫外光
离子能量(eV)
离化率
100-1000
10-6-10-3
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SiO2 光刻胶
SiO2, 光刻胶 -
Al
Cl2
Ti，Ta，Mo， F2，
W，Nb
CF4
SiCl4, CCl4, BCl3 侧壁钝化的离子 SiO2, Si3N4,
辅助
某些光刻胶
-
侧壁钝化的离子 SiO2,光刻胶
O2
辅助
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
光刻过程中的暴光 ——GCA 6700 STEPPER
光刻技术制备的显微防伪标记
尺度单位为55m
光刻流程中的刻蚀
SiO2层的刻蚀
存在两种刻蚀方法： 湿法（化学溶剂法）, 干法（等离子体法）
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)
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
对应于制备薄膜材料的CVD、 PVDห้องสมุดไป่ตู้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
八层布线的集成电路的断面形貌
Cu C
CMOS
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
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
薄膜沉积与其刻蚀技术
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
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
被刻蚀材料 刻蚀气体 其他气体
Si GaAs
Cl2
-
CCl4
O2
CF4
O2
SiCl4
O2
SF6
O2
Cl2
-
CCl4
O2
SiCl4
O2
刻蚀机理
化学 高能离子 化学
化学/晶体取向 -
与对照物相比 的刻蚀选择性
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
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
除出系统
比较一下：PECVD时的微观过程
CVD过程 PECVD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 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
等离子体刻蚀过程的速率
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
以光刻技术在薄膜表面获得图形
Si 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
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，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
暴光
氧化：形成SiO2层 涂敷：涂光刻胶
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
加热：光刻胶预固化
溶解：去除部分光刻胶 加热：光刻胶固化 SiO2层的刻蚀
掩膜对准
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
SiO2, 光刻胶 -
Al
Cl2
Ti，Ta，Mo， F2，
W，Nb
CF4
SiCl4, CCl4, BCl3 侧壁钝化的离子 SiO2, Si3N4,
辅助
某些光刻胶
-
侧壁钝化的离子 SiO2,光刻胶
O2
辅助
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
光刻过程中的暴光 ——GCA 6700 STEPPER
光刻技术制备的显微防伪标记
尺度单位为55m
光刻流程中的刻蚀
SiO2层的刻蚀
存在两种刻蚀方法： 湿法（化学溶剂法）, 干法（等离子体法）
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)
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
对应于制备薄膜材料的CVD、 PVDห้องสมุดไป่ตู้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
八层布线的集成电路的断面形貌
Cu C
CMOS
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
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
薄膜沉积与其刻蚀技术
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
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
被刻蚀材料 刻蚀气体 其他气体
Si GaAs
Cl2
-
CCl4
O2
CF4
O2
SiCl4
O2
SF6
O2
Cl2
-
CCl4
O2
SiCl4
O2
刻蚀机理
化学 高能离子 化学
化学/晶体取向 -
与对照物相比 的刻蚀选择性
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
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
除出系统
比较一下：PECVD时的微观过程
CVD过程 PECVD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 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
等离子体刻蚀过程的速率
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
以光刻技术在薄膜表面获得图形
Si 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
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，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
暴光
氧化：形成SiO2层 涂敷：涂光刻胶
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
加热：光刻胶预固化
溶解：去除部分光刻胶 加热：光刻胶固化 SiO2层的刻蚀
掩膜对准
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