一种新型离子束刻蚀装置的研制

一种新型离子束刻蚀装置的研制　张冬艳，陈特超　ｆ中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙４１０１１１）　摘　要：介绍了一种新型离子束刻蚀装置。该装置具有如下特点：工件台可进行二维运动，带有　自动挡板机构和独立的测束装置．中国电子科技集团公司第四十八研究所研制的平行束离子源，　以及分子泵加机械泵的真空系统　工艺试验结果表明，该设备是一台先进的半导体工艺设备，性　能稳定．刻蚀均匀性可达±４％　关键词：离子束；刻蚀；均匀性　中图分类号：ＴＮ３０５．７　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４－４５０７（２０１０）０１—００３４—０３　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　Ｎｏｖｅｌ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｏｎ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ　Ｅｔｃｈｉｎｇ　ＺＨＡＮＧ　Ｄｏｎｇｙａｎ，ＣＨＥＮ　Ｔｅｃｈａｏ　（Ｔｈｅ　４８ｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＣＥＴＣ，Ｃｈａｎｇ　Ｓｈａ　４　１　０　１　１　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｅｗ－ｔｙｐｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｏｎ　ｂｅａｍ　ｅｔｃｈｉｎｇ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｉｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ：ｔｈｅ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｃａｎ　ｔｕｒｎ　ｉｎ　ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ，ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｂａｆｆｌｅ　ｐｌａｔｅ　ａｎｄ　ｔｅｓｔ－　ｉｎｇ　ｂｅａｍ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｓ　ｅｑｕｉｐｐｅｄ，ｔｈｅ　Ｖｅｅｃｏ　ｉｏｎ　ｂｅａｍ　ｓｏｕｒｃｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｂｙ　４８ｔｈ　ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖａｃｕｕｍ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｕｒｂｏ　ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｐｕｍｐ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｄｅｖｉｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｄｅｖｉｃｅ　ｉｓ　ａ　ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｍｉ－－ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｕｎｉ－－　ｏｆｒｍ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｅｔｃｈｉｎｇ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　４－４％．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉｏｎ　ｂｅａｍ；Ｅｔｃｈｉｎｇ；Ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ　离子束刻蚀是一种典型的对样品表面以原子、　的发展，提高刻蚀设备的功能，满足国内外用户的需　分子为单位进行剥离的微细加工工艺和超精密加　求，本文就中国电子科技集团公司第四十八研究所　工方法，在微电子工业中有广泛的应用前景，在微　研制的离子束刻蚀机中的二维运动工件台、自动挡　机械的制造中已成为不可缺少的工艺手段［１】。　板机构和独立的测束装置及平行束离子源作介绍。　离子束刻蚀设备国外在２０世纪７０年代初期就　已有设备的雏形，发展至今已是成熟的商业化产品，　１　设备工作原理　国内在２０世纪８０年代初开始自行研制并生产单　束、单片加工的离子束刻蚀机ｌ２Ｊ。为适应半导体工艺　离子束加工是在真空条件下，将氩（Ａｒ）、氪　收稿日期：２００９－１２－２７　－　电子工业毫用设吾　Ｉｐｌ嘞　如　阻ｅｃｌｌ　Ｉｌ妇Ｐｌ－０Ｉ　【ａ｜ｌⅡ嘶　抛　・光刻与刻蚀・　（Ｋｒ）、氙（ｘｅ）等惰性气体通过离子源产生离子　束，经加速、集束、聚焦后，轰击被加工件的表　面，即当离子束轰击加工表面的能量超过加工表　面材料的原子结合能时，加工表面材料的原子　（或分子）被溅射出来，以达到去除表面材料的目　的。　２设备结构及特点　２．１结构　图ｌ是离子束刻蚀设备结构示意图。它由离子　源、反应室、工件台、真空系统、供气系统、电气控制　等主要部分组成。　Ｅ　尹　源　图ｌ　离子束刻蚀设备结构示意图　离子源采用中国电子科技集团公司第四十　八研究所研制的平行束离子源系统，该系统性能　稳定，降低了以往由于离子源电源的不稳定而引　发的设备故障率。离子流密度较高，且整体可拆　卸，便于维修。反应室为卧式结构，离子源水平　喷射离子束流方式，刻蚀溅射物可大部分落于真　空室底部，有效减少溅射材料的再沉积。反应室　左侧为可打开的铰链门结构，同时其上可装载基　片，整个反应室腔体为双层水冷结构，全不锈钢　材料制造。本设备在工件台的设计上，将以往的　一维旋转运动优化为二维运动，即可进行旋转和　倾斜，依据离子束刻蚀原理，该种结构设计对刻　蚀均匀性的提高起到一定作用，同时也为实验型　的工艺研究提供了便利。图２为工件台的二维运　动示意图。　自转方向偏移方向　离子束流　离子源　图２　工件台二维运动示意图　气缸驱动的自动挡板机构。～般从放电开始到　束流稳定往往需要几分钟的时间，在束流稳定后按　下挡板开关进行刻蚀并同步计时，刻蚀时间可通过　和挡板连接的时间继电器设定、显示并控制。挡板　也可随时对正在进行工作的离子源的束流进行有　效阻挡。该机构具有自动控制、可显示、可设定等多　种功能，为工艺试验前检测束流密度和束的中和情　况等工作提供了便利条件。　测束器是通过陶瓷引线引入反应室内部，对基　片附近的束流进行测量，通过控制面板上的束流表　显示测量结果。此机构对于掌控基片附近的束流提　供了可靠的第一手数据。　真空系统是本设备的关键之一，它是由分子　泵、机械泵、电磁挡板阀、真空管道等组成。为保证　工艺的连续性和工艺的多样性，本设备采用恒定送　气和恒定抽气的方式。送气采用质量流量计控制，　保证气流的稳定和均匀。　２．２刻蚀材料的无选择性　加工材料广泛，对脆性、半导体、高分子等材料　都可加工。且加工在真空下进行，故也适用于加工　易氧化的金属、合金等材料［３］。由于样品在真空中可　以被准直的离子束定向轰击，是一种方向性刻蚀，　可以克服化学湿法中不可避免的钻蚀现象，故刻蚀　图形边缘陡直、清晰、分辨率高。　２．３高加工精度及表面质量　离了束轰击材料是逐层去除原子或分子，离　子束流密度及离子能量可以精确控制，其加工精　度可达微米级。且由于离子束流密度、能量、入射　角、工件台的二维运动等工作参数能够在相当宽　的范围内独立、准确的控制，可容易得到不同样品　・光刻与刻蚀・　电子工业苣用设备　－　的最佳加工条件，既可控制线条的边壁斜度，又能　控制沟槽深度按一定函数变化。由于加工时被加　工表面层温度低，不会引起机械应力和损伤，故加　工质量高。　表ｌ测试点刻蚀深度表　测量点　刻蚀深度／ｎｍ　２．４刻蚀速率　刻蚀速率是体现设备加工效率的主要标志，它　是以单位时问内刻蚀的深度表示的，与溅射率、到　达表面的离子通量密度及材料的原子密度有关。刻　蚀速率与溅射率成正比，溅射率与入射离子的种　类、能量、入射角度、靶材的种类、晶格结构、表面状　态、温度以及残余气体组分有关。本装置的离子束　入射离子能量范围较宽，在０～１　５００　ｅＶ可调，为　刻蚀速率的选择提供了较宽的范围，虽然入射离子　能量的增大可增大刻蚀速度，但由于造成的表面损　伤也较大，故在试验过程中需综合多方面因素选择　合适的数值。　４　３　工艺试验　一　对设备的各项技术指标进行逐一测试后，做离　一　子束刻蚀工艺试验。刻蚀材料１００　ｍｍ铝镍合金，送入工艺气体　气到反应室内，通过调节Ａｒ气体　一　　９　３　Ｏ　如　５　９　质量流量控制器使反应室工作压力稳定在４．０×　１０—２　Ｐａ左右，启动离子源电源，设定各模块电压或　电流值，放电电压５５　ｖ，离子束电压５００　　一Ｖ，离子束　电流５４　ｍＡ，加速栅电压１２０　Ｖ，待离子源稳定工　作，打开自动挡板，刻蚀时间１０　ｍｉｎ，使用显微镜和　台阶仪对刻蚀样片进行测试，测量点位置如图３，　各点的刻蚀深度如表１所示。　４　图３　样片测试点示意图　用游标卡尺测量　８０　１Ｔｉｍ直径，在此直径上　均匀取４点，用仪台阶仪分别测量该４点及圆　片中心点处的刻蚀深度。用下列公式计算刻蚀均　匀性：　『厂——　『＿－　］　６　【＼／｝　（　加　Ｊ　。。％　：测量值　：算术平均值　ｎ：样本数　采用上述均方根法计算，最后得出６—３．８％，　所以本离子束刻蚀装置均匀性≤±４。　４　结论　加工质量和加工效率一直是离子束刻蚀工艺　的主要问题。刻蚀设备的研制水平是决定工艺质量　的重要条件之一。上述试验结果表明本装置在性能　指标上优丁二以往的国产同类设备，且使用范围广　泛，通用性强，可应用于中小生产线或科研院所的　实验室。　参考文献　［１］　赵丽华，周名辉，离＿了束刻蚀［Ｊ］．半导体技术，　１９９９，２４（１）：３９—４２．　【２］　任延同．离子束现状与未来发展［Ｊ１．光学精密仪器，　ｌ９９８，６（２）：７—１４．　［３】　Ｓｅｌｉｇｅｒ　Ｒ　Ｌ，Ｆｌｅｍｉｎｇ　Ｗ　Ｐ．Ｆｏｃｕｓｅｄ　ｉｏｎ　ｂｅａｍｓ　ｉｎ　ｍｉｃｒｏ—　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９８７，４５（３）：１４１６—１４２２．　作者简介：张冬艳（１９７８一），女，吉林洮南人，工程师，硕士，主　要从事半导体设备及光伏设备研究。