绪论

微纳加工的特点：

  • 微纳加工是在衬底表面通过薄膜材料沉积和图形化的方法实现的，平面工艺一般只能形成二维平面结构，准三维结构通过多层二维叠加形成
  • 微细结构一般由曝光成像的方法形成，而不是加工工具与材料的直接相互作用
  • 复杂微纳米系统是在平面加工过程中形成的，是一个逐层进行且不可逆过程

微纳加工的基本过程：薄膜沉积→图形成像→图形转移【课后复习题】

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图形成像：平面工艺；探针工艺；模型工艺

图形转移：刻蚀法；沉积法

集成电路工艺主要包括4个主要方面：薄膜沉积；制图；掺杂；热处理

广义的光刻包括：光学曝光；电子束曝光；离子東曝光和X射线曝光，激光曝光(激光直写光刻)

强酸中毒的应急处理方法：

①沾着皮肤时，用大量水冲洗15分钟 (如果立刻进行中和，因会产生中和热，而有进一步扩大伤害的危险)，再用碳酸氢钠之类稀碱液或肥皂液进行洗涤

②当沾着草酸时，若用碳酸氢钠中和，进一步反应产生很强的刺激，故不宜使用，可以用镁盐和钙盐中和

氢氟酸：

禁配物：强碱、活性金属粉末、玻璃制品

其气体有毒，吸入后应迅速脱离现场至空气新鲜处

误食入需立即用水漱口，给饮牛奶或蛋清，而后就医

强碱中毒的应急处理方法：

①沾着皮肤时尽快用水冲洗至皮肤不滑为止，接着用经水稀释的醋酸或柠檬汁等进行中和；

②沾着生石灰时，则用油之类东西，先除去生石灰

呼吸道吸入刺激性或有毒气体应急处理办法：

①吸入氯气、氯化氢气体时，可吸入少量酒精和乙醚的混合蒸气使之解毒

②吸入硫化氢或一氧化碳气体而感不适时，应立即到室外呼吸新鲜空气

微纳米加工和传统机械加工有什么不同？【课后复习题】

微纳米加工：适用于制造极小尺度的结构，加工尺度在微米到纳米级别，通常依赖于物理和化学方法，并广泛应用于高科技领域。它要求高成本的设备和严格的环境控制，精度比传统机械加工高很多，但生产效率较低

传统机械加工：适合加工宏观尺度的部件，依靠机械力去除材料，应用于制造业中的大规模产品生产，设备和环境要求相对较低，生产效率相对较高

光学曝光技术

光学曝光方式与原理

光学曝光的方式：掩模对准式曝光与投影式曝光【课后复习题】

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真空接触：使经过多道工序加工而翘曲的基片恢复平整，从而保证曝光时投射到胶表面的光强分布均匀；使掩膜与胶表面接触更加严密，从而获得更高的分辨率

光学曝光的优缺点：【课后复习题】

优点 缺点
接触式曝光 曝光分辨率高，工艺简单且设备成本低 掩膜与光刻胶接触容易造成污染和损伤，影响掩膜的寿命
接近式曝光 掩膜不直接接触基底，减少了损坏和污染的风险 分辨率受限于掩膜与基底之间的距离，通常分辨率不如接触式曝光
投影式曝光 分辨率高，尤其是使用高数值孔径（NA）镜头和短波长的光源时
掩膜不接触基底，减少了污染和损坏的可能性
适合大规模生产，适用于现代半导体制造中的高精度需求		 设备复杂且昂贵，需要精密的光学系统和高效的光源
由于光学系统的限制，掩膜图案通常需要缩放，使得掩膜制作变得更加复杂

掩膜对准式曝光不适合用于大规模集成电路生产

工业主要采用投影式曝光，它的图像质量完全取决于光学成像系统，与掩模-基片之间的距离无关

光学曝光工序

光学曝光工序：基片表面处理、涂敷光刻胶、前烘、曝光、后烘、显影、清除残胶、坚膜、图形转移、去胶等【课后复习题】

前烘的目的：去除胶膜中残存的溶剂，使胶膜干燥，以增强胶膜与基片的粘附性和胶膜的耐磨性

后烘的目的：部分消除驻波造成的影响，但是也会导致胶中光活性物质横向扩散，影响胶的图形质量

光线照射到光刻胶与基片界面上会产生部分反射，反射光会使掩模不透光区下边的光刻胶进行曝光，反射光与入射光叠加会形成驻波，驻波会造成光刻胶边缘曝光结果出现螺纹状

如果涂胶前在基片上先涂覆一层抗反射层或涂胶后在胶表面施加抗反射剂则可以有效防止驻波效应

图形转移：通常通过 干法刻蚀 和 湿法刻蚀

光刻胶的评价指标：灵敏度、对比度、抗刻蚀比、分辨能力、曝光宽容度、工艺宽容度、热流动性、膨胀效应、粘度、保质期限【课后复习题】

灵敏度是衡量曝光速度的指标，灵敏度越高，所需要的曝光剂量越小

对比度越高，曝光的线条边缘越陡

光刻胶的分类：

正型：曝光后将会与掩模版上的图案相同

负型：曝光后将会与掩模版上的图案相反

正胶和负胶的区别：【课后复习题】

曝光反应 显影结果 图案关系 灵敏度 对比度 分辨率 显影液
正胶 曝光后可溶解 未曝光区域保留 与掩膜一致 较低 高 较高 水溶性
负胶 曝光后不可溶解 未曝光区域被去除 与掩膜相反 高 低 较低 有机溶剂

正型胶主要有以下优点：

(1)高分辨率，高对比度；

(2)多使用暗场掩模，减少了曝光图形的缺陷率，因为掩模大部分区域都是不透光的；

(3)使用水溶性显影液；

(4)去胶容易；

负型胶的缺点：

(1)在显影中负型光刻胶容易吸收显影液而膨胀，限制了分辨率；

(2)使用有机溶剂显影液，会产生环境公害

课后复习题：

  1. 光学曝光的方式有哪些?各有什么优缺点?
  2. 光学曝光的工序一般有哪些?
  3. 光刻胶的性能指标有哪些?正胶和负胶有什么区别?

光学曝光的分辨率

特征尺寸( CD )：掩膜设计的最小图形尺寸

最小线宽：$l_{CD}=\sqrt {\lambda z}$，反映了制造工艺的分辨能力

$\lambda $ 是曝光光源的波长，$z$ 是掩模版与基片间的间隙距离

数值孔径：平行光通过透镜后聚焦成一直径有限的光点时最外光线与光轴间的夹角$\theta $的正弦值与透镜和基片之间介质的折射率$n$的乘积 【课后复习题】
$$
NA=n \sin \theta
$$
光学分辨率：能精确转移到晶片表面光刻胶图案的最小特征尺寸 【课后复习题】
$$
R=k_{1} \frac{\lambda}{N A}
$$
分辨率可以提高减小曝光波长和增加数值孔径来实现

焦深：是指能够满足光刻分辨率与特征尺寸均匀性的基片最大离焦范围  【课后复习题】
$$
D=k_{2} \frac{\lambda}{(N A)^{2}}
$$

$k_{1} ,k_{2} $ 为与工艺相关的参数，$k_1$的理论极限是0.25

单纯追求分辨率会使得焦深大大降低，提高分辨率的同时需要综合考虑焦深

对于大规模生产，分辨率只有在一定焦深范围才有意义

焦深太小，掩模成像只在很小的高度起伏范围内才能保证聚焦，超过这一范围就会散焦

短波曝光技术：深紫外光刻(DUV)、极紫外光刻(EUV)、X射线曝光技术 【课后复习题】

面临的问题： 【课后复习题】

深紫外光刻(波长193nm)：随着晶体管尺寸缩小，193 nm的波长逐渐接近光学分辨率的极限，需要通过多重图形化（如多重曝光、多重图案化）等方法提高分辨率，但这些方法复杂且昂贵

193nm波长的深紫外光刻使用水作为浸没液体

极紫外光刻(波长13.5nm)：

  1. 光源功率低：EUV光源的输出功率相对较低，导致曝光效率低，生产速度缓慢。光源功率难以提高
  2. 光刻胶材料：极紫外光刻胶需要比深紫外光刻胶具有更高的灵敏度和分辨率，但多数光学放大胶难以同时满足高灵敏度和低线条边缘粗糙

X射线光刻(波长0.1-10nm)：

  1. 掩膜制造困难：X射线光刻掩膜的制造极其困难，因为掩膜材料需要具有对X射线的高透明性，且图形尺寸小，金属沉积的应力会导致图形畸变 ；
  2. 曝光分辨率：二次电子、X射线在光刻胶中的散射、衍射效应等会扩大X射线的曝光范围，难以获得与波长相对应的曝光分辨率

浸没式曝光技术：在光刻机投影物镜的最后一个透镜的下表面于硅片上的光刻胶之间充满高折射率的液体，从而增加数值孔径

大数值孔径和浸没式曝光技术是现代光刻技术中用于提高分辨率和缩小特征尺寸的两大关键技术

发展大数值孔径和浸没式曝光技术是为了突破传统光刻分辨率的限制

课后复习题：

  1. 光学曝光的分辨率和焦深是什么意思?他们由什么决定?

  2. 有哪些短波曝光技术?他们都面临什么样的问题?

  3. 什么是数值孔径?它对光学曝光分辨率和焦深有什么影响?

  4. 什么是大数值孔径和浸没式曝光技术?为什么要发展他们?

分辨率增强技术

分为对光学系统的改进和对掩膜版的改进

分辨率增强技术包括：离轴照明技术、空间滤波技术、移相掩膜技术、光学邻近效应校正技术 【课后复习题】

离轴照明技术：采用倾斜照明方式，用从掩模透过的零级光和其中一个一级衍射光成像，让包含主要结构信息的低频分量和部分包含精细特征的高频分量都进人系统，因而可以提高分辨率，改善像质；由于是双光束对称成像，还可改善焦深

传统照明系统的光学分辨率:

$$
R_{\text {传统 out }- \text { off }}=\frac{\lambda}{2 N A(1+\sigma)}
$$

离轴照明系统的光学分辨率:

$$
R_{\text {离轴 out }- \text { off }}=\frac{\lambda}{2 N A(1+\sigma)+2 \theta_{i}}
$$
$\sigma $ 为曝光系统的部分相干因子，$\theta_{i} $ 为离轴照明光束的入射角；与传统照明相比，离轴照明提高了分辨率

image-20240918230341881 $$ DOF_{离轴}/DOF_{传统}=\tan \theta' /\tan \frac{\theta '}{2} $$ 离轴照明技术应用较为广泛，其中四极照明比环形照明的效果更明显，但仅适用于周期性图形

空间滤波技术：在透镜的光阑平面上通过加滤光片，滤波片的不同环区对入射光有不同的透射率和相位差，从而部分遏制低频分量，突出高频分量，使得图像清晰度增加

移相掩膜技术：通过移相掩模使两个紧邻清晰区域各自引入0°和180°的相位差，改变了电场的符号，减少了硅片上两个光孔之间黑暗区域的光强，以此来改进图像对比度，从而导致了更好的分辨率和焦深

光学邻近效应：投影式曝光光学从本质上讲是衍射光学，衍射成像会在光波传输过程中丢失部分高频分量，使成像清晰度降低，反映在掩模成像上就是本来方角的掩模图形变成圆角，或线端变短【课后复习题】

光学邻近效应的校正：【课后复习题】

  1. 线条偏置法(形状调整法)：对原设计增加或减少部分图形

  2. 加衬线法：通过在掩模上添加亚分辨辅助线条改变其空间像的光场分布

  3. 灰度掩膜法：调整掩模图形的局部透光率；传统掩模上只有透光区与不透光区，而灰度掩模的透光率则是以灰度等级来表示、

    实现灰度的方法是改变掩模的透光点密度，一种是改变透光点的大小，一种是改变透光点的数目，也可以二者相结合

多重曝光和加工技术是唯一能够突破$k_1$因子理论极限技术

评价光刻机的主要参数：分辨率、套准精度、产率、焦深

课后复习题：

  1. 针对曝光光学系统和光刻掩膜，有哪些分辨率增强技术?
  2. 什么是光学临近效应?可以通过什么方法进行校准?
  3. 有什么方法可以突破光学曝光分辨率的理论极限?具体是怎么实现的?

电子束曝光技术(EBL)

电子束曝光系统

电子束曝光：利用某些高分子聚合物对电子敏感而形成曝光图形

光学曝光分辨率：
$$
R=k_1\frac{\lambda }{NA}
$$
受光波长的限制：G线(436nm)→I线(365nm)→DUV(248,193nm)→EUV(13nm)

根据波粒二象性，电子波长
$$
\lambda_e=\frac{1.226}{\sqrt V} \text{nm}
$$
电子束曝光分辨率主要受电子像差和电子散射的限制

电子束曝光系统的重要指标：

  • 最小束直径：直接影响最小可曝光图形尺寸
  • 加速电压：加速电压越高，分辨率也越高，邻近效应越小
  • 电子束流：束流越大，曝光速度越快，但相应束斑也较大
  • 扫描速度：扫描速度越快，曝光速度越快
  • 扫描场大小：扫描场大，可避免拼接
  • 工作台移动精度、套准精度、场拼接精度

电子光学像差：决定最小束斑直径

  • 一般像差：其中以球差和色差为主

  • 偏转像差： 电子束离轴后形成的像差，如像散和场曲

空间电荷效应像差： 空间电荷排斥效应会使电子束直径增大，破坏聚焦

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因此小束斑需要小束流

电子束抗蚀剂

正抗蚀剂：入射粒子将聚合物链打断，曝光的区域变得更容易溶解

负抗蚀剂：入射粒子将聚合物链接起来，曝光的区域变得更不容易溶解

和光刻胶的正负性质相同

传统型：抗蚀剂中的聚合物分解或链接是在曝光过程中完成

化学放大型：曝光时电子束或紫外光首先在这类特殊的聚合物中产生少量的光酸分子，在后烘时这些光酸分子诱发连锁反应产生更多的光酸分子并使聚合物分解

  • 优点：具有高灵敏度，兼有高分辨率；高对比度；高刻蚀比
  • 缺点：对后烘工艺条件要求高；存在延迟效应；存在表面污染

常见高分辨率电子束抗蚀剂：

  • PMMA：正胶，过曝光时可呈现负胶特性，缺点是抗刻蚀能力差
  • ZEP-520抗蚀剂：正胶，抗刻蚀能力也很强
  • HSQ：负胶，无机胶

实际曝光剂量的决定因素：

  1. 电子束能量：电子束能量越高，所需曝光剂量越高（曝光主要靠低能量电子）
  2. 抗蚀剂厚度： 抗蚀剂越薄，曝光剂量越高（因为只有少量电子将能量沉积在抗蚀剂层中）
  3. 图形密度：越密集图形，曝光剂量越低（因为电子散射互相影响）
  4. 衬底材料密度：高密度衬底会产生更多背散射电子，曝光剂量相对较低
  5. 抗蚀剂工艺条件：后烘温度、显影液温度和强度等

多层胶工艺：从下到上灵敏度逐渐降低，形成undercut结构

电子束曝光成像质量

电子束在抗蚀剂和基底材料中的散射：

  • 前散射：入射电子束在抗蚀剂中被展宽，与入射电子能量有关

  • 背散射：电子在抗蚀剂和基底材料界面形成反射，与电子能量、基底材料有关

电子束在抗蚀剂和基底材料中的散射：

  • 电子能量越高，散射深度和范围越大；

  • 衬底密度越高，散射深度范围减小，但背散射电子增加

  • 背散射造成的邻近效应可波及几个微米，造成密集图形变形失真

如何抑制电子束与抗蚀剂作用范围的扩展？ 【课后复习题】

  • 选择具有较高分辨率的抗蚀剂以减少扩散；

  • 调节电子束的能量和电流密度以降低束流散射；

  • 控制曝光时间和环境条件（如温度和湿度）；

  • 采用更薄的抗蚀剂层

光学曝光邻近效应和电子束曝光邻近效应导致的原因有何不同?【课后复习题】

光学曝光：衍射和散射；电子束曝光：电子散射；

电子束曝光邻近效应校正：【课后复习题】

图形校正、剂量校正、背景曝光；

影响电子束曝光分辨率的因素：【课后复习题】

高电子能量；小限制膜孔；低束流；小扫描场；低灵敏度抗蚀剂；薄抗蚀剂；低图形密度；低密度、高导电性衬底；稳定工作环境

课后复习题：

  1. 影响电子束曝光分辨率的因素有哪些?
  2. 如何抑制电子東与抗蚀剂作用范围的扩展?
  3. 导致光学曝光临近效应和电子束曝光临近效应导致的原因有何不同?如何校准电子束曝光的临近效应?

聚焦离子束曝光技术(FIB)

聚焦离子束是通过电磁场聚焦形成的离子束

聚焦离子束成为一种用途广泛的微纳加工工具，因为具备4个特点/功能：

(1) 材料表面加工；（2）注入掺杂，材料改性；（3）材料沉积；（4）高分辨能力

液态金属离子源(LMIS)：利用液态金属在强电场下形成场致离子发射离子源

液态离子发射源的特性：

  • 针尖表面存在一个临界发射的阈值电压，超过阈值电压，发射电流快速增加；
  • LIMS空间发射角较大(约30°左右)，发射角会随着发射电流增大
  • 角电流分布较均匀
  • 离子能量分散较大，也随发射电流增加，导致聚焦系统色差大
  • 低束流时，主要是单电荷离子；随着束流增加，多电荷离子、分子离子、离子团等比重增加(优选小束流)

聚焦离子束系统

离子在电磁场中受力
$$
F_e=qE\quad F_m=q\vec v\times \vec B\quad \rightarrow \quad v=\sqrt{\frac{2qV}{m}}
$$
离子与电子相比的两个特点：

  1. 电荷质量不同，磁场中受力与荷质比相关

    优点：以通过磁场筛选不同荷质比的离子；

    缺点：磁透镜会将不同荷质比的离子聚焦在不同平面上，聚焦离子束系统只采用静电透镜和静电偏转器

  2. 质量远大于电子质量

    相同能量下，离子速度远低于电子，因而空间电荷排斥效应远大于电子，导致束斑尺寸、能量分散变大

    色差是聚焦离子束系统的主要像差，减小色差的方法就是减小束流

离子在固体中会经历一系列散射，在散射中不断损失能量，最后停止并留在固体中

沟道效应(channeling effect)：在高指数晶向，即原子排列稀疏的方向，离子有可能“长驱直入”，离子射程是非晶材料的数倍

比较离子束曝光技术与电子束曝光技术【课后复习题】

比较方向 离子束曝光 电子束曝光
粒子类型 使用的是带电离子，质量远大于电子 使用的是高速电子，其质量远小于离子
相互作用机制 通过直接的物理溅射和材料表面原子碰撞来移除材料，表面损伤较大 通过电子与材料的电荷相互作用来产生光刻效应，电子散射，表面损伤较小
分辨率 离子的质量较大，难以聚焦到极小的尺寸，分辨率相对较低
典型分辨率为几十纳米到几百纳米		 可以非常精确地聚焦到亚纳米级别，精度高
典型分辨率可以达到几纳米甚至更小
应用场景 常用于深刻蚀、大面积加工以及材料的表面改性，加工速度快 常用于高精度、细微结构的图案化和材料表征，加工速度较慢，适合小批量生产和科研用途

加工原理

离子束加工的原理有哪些？【课后复习题】

离子溅射：入射离子将能量传给靶材原子，使其获得足够能量而逃逸出固体表面的现象，是离子束加工的最主要功能

溅射产额：每个入射离子能够产生的溅射原子数

离子束轰击与化学活性气体结合可以大大提高溅射速度

离子束辅助沉积：吸附在靶材表面的非活性气体分子在离子束的轰击下发生分解，生成固态物质沉积在材料表面

离子束加工技术的应用有哪些？【课后复习题】

审查与修改集成电路芯片；修复光刻掩模缺陷；制作透射电镜样品；多用途微切割工具

聚焦离子束注入技术

注入目的：材料改性

课后复习题：

  1. 离子束和材料的相互作用与电子束和材料的相互作用有何不同?
  2. 离子束加工的原理有哪些?
  3. 离子束加工技术有哪些应用?
  4. 比较离子束曝光技术与电子東曝光技术。
  5. 什么是离子束注入技术?

扫描探针加工技术

扫描探针加工技术的优缺点：

  • 优点：简单易行
  • 缺点：加工精度有限；加工深度有限；加工速度极低；加工面积极小

扫描探针显微镜：

STM：扫描隧道显微镜

SFM：扫描力显微镜

AFM、MFM、LFM、EFM etc.

NSOM：扫描近场光学显微镜

扫描隧道显微镜(STM)

STM是一种基于量子隧穿效应的高分辨率显微技术，主要用于观察导电材料表面的原子级结构

STM的成像原理：【课后复习题】

探针与样品表面靠近，当探针与样品表面距离足够近时，电子发生隧穿效应，在探针与样品之间产生一个非常小的电流，距离越近，隧道电流越大；STM通过精确的反馈系统控制探针的高度，使得隧道电流保持恒定，STM可以记录探针的位移，这个位移的变化反映了样品表面的高度变化，形成样品表面的三维高度图像。

原子力显微镜(AFM)

AFM的成像原理：【课后复习题】

AFM将对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一个非常尖锐的探针(通常由硅或氮化硅制成)，当探针接近样品表面时，探针尖端和样品表面的原子之间会产生不同的相互作用力，如范德华力、静电力、磁力等。扫描时控制这种力的恒定，微悬臂针尖与样品表面原子间作用力的等位面在垂直于样品的表面方向起伏运动。通过使用光学系统（通常是激光反射装置）来检测悬臂的位移，从而获得样品的表面形貌信息。

在AFM中探针与样品原子之间有两种类型相互作用力

  • 短程力：在针尖与样品表面接触时相互作用力主要是短程的原子间斥力，如泡利斥力和离子斥力、磨擦力等
  • 长程力：当针尖离开样品表面10nm~100nm或更大时，如象磁力、静电力和范德瓦尔斯力等
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短程力的作用范围在0.1mm以下，把工作在这种模式下的AFM称为接触式AFM

最主要用的是Tapping mode

AFM的类型 优点 缺点
接触式AFM (Contact Mode) 高扫描速度；
高分辨率，唯一可以获得“原子分辨率”；
可以扫描表面极端变化的样本；		 横向力、摩擦力可能会扭曲图像中的特征；
由于探针与样品表面直接接触，可能导致样品的损坏；
长时间的接触会导致探针磨损，进而影响成像精度和分辨率
轻敲式AFM(Tapping mode) 大多数样品的横向分辨率更高(1~5nm)；
几乎消除了侧向力，减少了样品损伤；		 扫描速度比接触式AFM较慢
非接触式AFM(Non-contact Mode) 样品表面不受力，避免样品损伤 横向分辨率较低，受针尖-样品分离影响；
扫描速度比接触与轻敲慢，以避免针尖被卡住；
只适用于疏水性极强的样品；

分辨率的影响因素：

  • 针尖：探针尖端的半径越小，分辨率越高；侧面角决定最高表面比率特征的探测能力
  • 成像模式：接触、轻敲、非接触
  • 样品表面形貌

扫描近场光学显微镜(SNOM)

SNOM与STM或AFM的基本区别是将固体扫描探针换成一个扫描光源，光源扫描由光纤探针实现

近场光学成像分辨率与入射光波长无关， 只与光探针的大小(数值孔径)有关

它突破了传统光学显微镜的衍射极限，实现了纳米尺度下的光学成像和光谱分析

SNOM通常有两种工作模式：

  • 透射模式（Transmission mode）：光通过样品，然后被探针采集，这种模式适用于透明样品
  • 反射模式（Reflection mode）：光反射回样品表面并被探针捕获，适用于不透明样品

优点：

  1. 突破衍射极限；
  2. 非破坏性分析；
  3. 多维信号获取

抗蚀剂曝光加工

包括STM曝光、SNOM曝光

STM曝光的一些问题：

  • 抗蚀剂层必须很薄

    由于探针的针尖必须非常靠近作为阳极的衬底材料表面， 才能产生足够高的场致发射电流。 用STM曝光的抗蚀剂一般不超过50nm厚

  • STM曝光分辨率不可能好于/等于STM的成像分辨率

    相比于一般电子束曝光利用聚焦电子束， STM针尖发射的电子束是发散束， 发散程度取决于施加的偏压和探针与抗蚀剂表面的距离

  • STM曝光所需剂量大

    STM曝光的特点是低能电子束曝光，但传统低能电子束曝光所需曝光剂量低的优点在STM曝光时并不存在。曝光同样尺寸图形时，STM曝光的剂量是传统曝光的30倍

    STM曝光的线宽随曝光剂量变化小，具有较小的邻近效应

局部氧化加工

局部氧化加工： STM或AFM针尖处的强电场使得空气中的水分子在针尖附近被电离成离子态，然后将衬底材料氧化，扫描针尖形成加工图形

反应影响因素：偏压、探针在某一点的停留时间，环境空气湿度等

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环境湿度对局部氧化层起着重要作用：

  • 湿度越大，供给局部氧化的水分子越多，氧化越快；
  • 湿度会影响针尖局部电场的分布；
  • 湿度较大时，会在针尖和样品之间形成一层水膜，使局部电场发散和局部氧化范围增加，造成氧化线条变宽

AFM V.S. STM

AFM更适合扫描探针局部氧化加工

STM反馈系统不能反馈氧化层的变化，氧化层的生长导致隧道电流和针尖表面距离的减小，这种情况下STM反馈系统会增大探针偏压，
且不会同步抬起探针，易导致探针受损

AFM的偏压独立于探针高度的反馈控制系统，可以很好地适应氧化物的生长；且氧化层的厚度可以原位实时监测

添加式纳米加工

包括：扫描探针场致沉积、蘸笔纳米探针加工(Dip-Pen Nanolithography，DPN)

影响DPN图形分辨率的因素：为了保证针尖的液体分子只向样品表面单方向输运，选择合适的墨水和样品衬底材料是关键

最理想的墨水和衬底材料组合是烷硫醇液体与金基底

与其他技术相比， DPN具有以下的优点：

  • 设备简单、低成本。只要有AFM就可以进行点墨制图，其制图过程与普通AFM操作无本质区别
  • 选用合适的墨水材料， DPN技术可以直接形成功能材料的图形，无需图形转移的步骤
  • 高分辨率图形化，图形尺寸可小于15nm
  • 利用探针阵列可以实现平行点墨制图，大大提高制图速度

抽减式纳米加工

包括：电化学刻蚀加工、场致分解加工、热力压痕加工、机械划痕加工

扫描探针加工技术有哪些方式？【课后复习题】

局部氧化加工、扫描探针场致沉积加工、蘸笔纳米探针加工、电化学刻蚀加工、热力压痕法加工、机械划痕加工

课后复习题：

  1. STM和AFM的成像原理是什么?
  2. 扫描探针加工技术有哪些方式?

复制加工技术

纳米压印是一种全新的纳米图形复制技术，其特点是具有超高分辨率、 高产量、 低成本【课后复习题】

高分辨率：没有光学曝光中的衍射现象和电子束曝光中的散射现象

高产量：可以像光学曝光那样并行处理，同时制作成百上千个器件

低成本：不像光学曝光机那样需要复杂的光学系统或像电子東曝光机那样需要复杂的电磁聚焦系统

热压纳米压印技术

纳米压印过程： 【课后复习题】

  1. 涂覆压印材料：在基底表面涂覆一层聚合物材料（如PMMA）
  2. 模具对准与压印
  3. 冷却与脱模：冷却使聚合物固化，然后从基底上移除模具
  4. 反应离子刻蚀去残胶，后续可以进行图形转移
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实现高质量纳米压印取决于印模、 压印涂层材料、 脱模技术、 对准精度

热压纳米压印最适合于制作均匀的、小尺寸的、阵列式的图形

印模：

印模和印模图形必须是硬质材料，如硅、氧化硅、氮化硅、金属等

印模图形由电子束/光学曝光技术/激光直写加工

最经久耐用的印模材料是金属镍

压印材料：

基本要求：

  1. 较低的玻璃化转变温度$T_g$，以降低压印温度
  2. 较低的粘塑性，以保证聚合物材料的流动性和对印模空腔的充分填充
  3. 较小的收缩性，以保证冷却后的压印结构不变性
  4. 较好的抗刻蚀性，以保证压印图形能完整地转移到衬底材料

PMMA是最早用来作为压印层的聚合物

脱模：

有三种情况脱模会对压印图形造成破坏：

  1. 压印材料黏附在印模上

    选择表面能较低的材料作为印模材料，如金刚石

    将特殊的印模脱模剂与压印材料混合，减少印模与压印材料间的黏附性

  2. 印模图形侧壁表面粗糙，当印模拔出时在印模和压印图形之间形成较大摩擦力

  3. 印模浮雕结构的侧壁坡度不合理，当拔出印模时连带将压印材料拔出

一般希望是正坡度或零坡度边壁，但一般难以获得深宽比高的压印图形

采用双层压印材料涂层可实现高深宽比图形结构的压印

紫外固化纳米压印技术

与热压纳米压印的基本区别：

  1. 采用了透明印模
  2. 采用可以经紫外固化的液体压印材料，其室温下黏度低

这两点也是实现紫外固化纳米压印的关键

如果衬底是透明的，则用非透明印模也可以实现紫外固化印模

闪光压印：因为光敏剂涂层很薄，只需要极短的紫外光照射即可固化

紫外固化纳米压印的另一个特点：没有固化的有机聚合物可以像未被曝光的负型光刻胶一样通过显影清洗掉

曝光-压印混合光刻可以同时获得尺寸差异巨大的图形结构

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纳米转印技术

也称为反向纳米压印

纳米转印是先将有机聚合物材料涂覆到印模上，待压印材料均匀填充印模浮雕图形表面后，再将印模压到一个平面衬底上，最后移开印模
使印模上的压印结构转移到平面衬底上

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纳米转印成功的关键是衬底材料的表面能大于印模材料的表面能

与纳米压印相比的优点：

  1. 即使衬底表面已有图形也能进行转印，可加工多层结构
  2. 由于压印材料是注入而非挤压入印模空腔中，纳米转印较容易实现高深宽比图形结构的制作

课后复习题：

  1. 纳米压印技术的特点是什么?
  2. 纳米压印过程包括的主要步骤?

镀膜技术

薄膜生长技术：化学工艺(CVD、电镀等)、物理工艺(PVD)

沉积过程中若沉积粒子来源于化合物的气相分解反应，则称为化学气相沉积(CVD)，否则称为物理气相沉淀(PVD)

气相沉积基本过程包括三个步骤：

  1. 靶材的气化
  2. 蒸镀材料向所镀制的基片输送
  3. 蒸镀材料沉积在基片上构成膜层

物理气相沉淀PVD

物理气相沉积PVD：主要分为蒸发镀膜、溅射镀膜

PVD通常指满足下面三个步骤的一类薄膜生长技术：

  1. 所生长的材料以物理方式由固体转化为气体
  2. 生长材料的蒸汽经过一个低压区域到达衬底
  3. 蒸汽在衬底表面上凝结， 形成薄膜

气相物质的产生：

  • 蒸发镀膜：镀料加热蒸发
  • 溅射镀膜：用具有一定能量的离子轰击靶材(镀料)，从靶材上击出镀料原子

PVD所需实验条件：高真空 (HV)；高纯材料；清洁和光滑的衬底表面；提供能量的能源

1标准大气压 = 760mmHg = 760 (Torr)

1Torr=133.3Pa

低真空($10^{-1}$Pa) ：机械泵；较高真空($10^{-3}\sim 10^{-4}$Pa)：扩散泵；更高真空：分子泵

真空度的影响：对高功函数金属影响相对小；对低功函数金属影响非常大

蒸发镀膜的缺点：

  • 最大缺点是不能产生均匀的台阶覆盖
  • 沉积由多种材料组成的合金，蒸发器需要有多个坩埚。不同材料的蒸气压不同，使得沉积任意精度的合金组分难以实现
热蒸发镀膜 电子束(热)蒸发镀膜
原理 在用绝缘材料(石英、氧化铝、氧化铍、氧化锆)制成的坩埚通上射频交流电，利用电磁感应加热材料 材料置于冷却的坩埚内，用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料，只有小块区域被电子束轰击
特点 缺点：无法蒸发难溶材料，蒸发率低，易污染 优点：适用于高纯和高熔点物质的蒸发，避免与坩埚材料发生反应

注意：高熔点靶材一般不适合使用lift-off工艺，其沉积过程往往需要在高温环境下进行，这会使光刻胶发生软化、分解甚至失效，从而影响图案的精度和lift-off效果。对于高熔点靶材，刻蚀工艺通常是更合适的选择

溅射镀膜的优点：

  1. 具有淀积并保持复杂合金原组分的能力
  2. 能够淀积高温熔化和难熔金属
  3. 能够在直径为200毫米或者更大的硅片上淀积均匀薄膜
  4. 具有多腔集成设备，能够在淀积金属前清除硅片表面沾污和本身的氧化物（被称为原位溅射）

离子溅射镀膜：带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能，将离子引向欲被溅射的靶电极，入射离子与靶表面的原子发生碰撞，使后者溅射出来，并且会沿着一定的方向飞向衬底，从而实现在衬底上的薄膜沉积

每一种物质的溅射阀值与入射离子的种类关系不大，但是与被溅射物质的升华热有一定的比例关系

磁控溅射：

附加磁场的优点：

  • 限制溅射离子的轨道
  • 增加离子在气体中停留的时间
  • 增强等离子体和电离过程
  • 减少从靶材到衬底路程中的碰撞
  • 高磁场附近的产值比较高

磁场的存在将延长电子在等离子体中的运动轨迹， 提高了它参与原子碰撞和电离过程的几率

对比热蒸发/电子束蒸发镀膜和磁控溅射镀膜工作原理差别和成膜特点【课后复习题】

工作原理：

热蒸发/电子束蒸发镀膜：通过加热蒸发源材料，使其从固态直接转化为气态，然后沉积到基片上

磁控溅射镀膜：在强磁场和电场的共同作用下，工作气体(通常是氩气)被电离成等离子体，加速的氩离子轰击靶材，导致靶材中的原子被溅射出来，并沉积在基片上

热蒸发/电子束蒸发镀膜 磁控溅射镀膜
真空要求 需要高真空($\sim 10^{-6}$ Torr) [薄膜纯度高] 真空要求较低($\sim 10^{-3}$ Torr)
沉积速度 较快 [适合大面积快速沉积] 较慢
成膜均匀性 较差 较好
成膜密度 低 高
成膜附着力 较弱 强

脉冲激光沉积PLD

基本过程：

将脉冲激光器产生的高功率脉冲激光聚焦于靶材表面，使其表面产生高温及烧蚀，导致靶材局部蒸发并形成等离子体羽流，等离子体定向局域膨胀在衬底上沉积成膜。

优点：

  • 无污染又易于控制
  • 靶膜成分接近一致，适合制备具有复杂成分和高熔点的薄膜
  • 多靶材组件变换灵便，容易制备多层膜及异质结

缺点：

  • 沉积效率较低，不易于制备大面积的膜
  • 薄膜存在表面颗粒问题

分子束外延MBE

基本过程：

在超高真空环境下，使具有一定热能的一种或多种分子（原子）束流喷射到衬底，在衬底表面发生反应的过程，由于分子在“飞行”过程中几乎与环境气体无碰撞，以分子束的形式射向衬底，进行外延生长

优点：

  • 精确的原子层厚度控制
  • 能生长高质量的单晶薄膜，适用于复杂半导体器件
  • 能够实现多层结构和异质结的精准生长

缺点：

  • 沉积速率慢，难以进行大规模生产
  • 设备复杂且昂贵，适合实验室和小规模生产

课后复习题：

  1. 什么是PLD和MBE沉积技术?各自的优缺点是什么?
  2. 金属CVD的特点和优势

金属CVD的优势：优良的等角的台阶覆盖以及对高深宽比接触和通孔无间隙式填充

原子层沉积ALD

原子层沉积ALD早期称原子层外延，是一种基于有序、表面自限制反应的CVD技术

虽然它与PVD有相似之处，但ALD的特点在于其通过交替引入反应物气体，以实现非常精确的薄膜生长

ALD生长薄膜的基本过程：【课后复习题】

  1. 准备：真空，各点温度，阀门状态，气压等
  2. 脉冲通入前驱体1
  3. 抽气
  4. 脉冲通入前驱体2
  5. 抽气
  6. 回到步骤2，循环
  7. 结束：关阀门，降温，检查等

为什么ALD可以实现单原子层的薄膜生长：【课后复习题】

ALD使用两种或多种前驱体，通过交替暴露于基材上，在每个反应步骤中，前驱体的反应是自限制的，即反应只会在表面吸附到一定程度后停止，这使得每次反应只添加一层原子

ALD和CVD生长薄膜的过程有什么不同？【课后复习题】

ALD CVD
前驱体 较高的反应活性；
在衬底上分别进行反应；
在工艺温度中不能分解；		 较低的反应活性；
同时在衬底上进行反应；
在工艺温度中可以分解；
均一性控制 通过饱和机制（自限制性） 要求均一温度和反应物流量
厚度控制 通过反应的循环次数 通过工艺参数
前驱体的量 允许过剩 前驱体配比很重要

如何避免在ALD过程中可能会出现CVD的过程：【课后复习题】

  • 将反应温度保持在适当范围内，避免高温导致的CVD现象
  • 确保每个前驱体的暴露时间足够短，以防止过量反应
  • 使用具有良好自限制特性的前驱体，确保它们在表面吸附后不会进一步反应

课后复习题：

  1. ALD生长薄膜的基本过程是什么?为什么ALD可以实现单原子层的薄膜生长?
  2. ALD和CVD生长薄膜的过程有何不同?如何避免在ALD过程中可能会出现CVD的过程?

化学气相沉淀CVD

CVD的传输和反应过程：

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CVD的反应条件：

  1. 必须达到足够的沉积温度(高温CVD：>900度，中温CVD：700~900度)
  2. 在沉积温度下，参加反应的各种物质必须有足够的蒸气压
  3. 参加反应的各种物质必须是气态(也可由液态蒸发或固态升华成气态)，而反应的生成物除了所需材料为固态外，其余也必须为气态
  4. 在沉积温度下，沉积物和基底材料本身的蒸气压要足够低

CVD产物质量的影响因素：

  1. 沉积温度：一般来说，温度越高，CVD化学反应速度加快

    沉积温度过高，会造成晶粒粗大；沉积温度过低，反应不完全，产生不稳定结构和中间产物

  2. 沉积室压强

    压强会影响沉积室内热量、质量及动量传输

  3. 反应气体分压(配比)

    直接影响成核、生长、沉积速率、组织结构和成分

CVD的优缺点：

优点：

  1. 薄膜质量高，纯度高
  2. 薄膜具有好的重复性
  3. 厚度均匀性高
  4. 可控的晶体结构(调控生长参数)
  5. 可以实现批量生产

缺点：

  1. 一些前驱体具有毒性，化学反应会产生腐蚀性副产物
  2. 很难控制多组分的材料沉积，同时保证各个组分比例的精确控制
  3. 成本较高

等离子体辅助PECVD的优势：

  1. 更低的工艺温度（依赖等离子体的能量和热能来触发并维持CVD沉积所需的化学反应）[减少有害副产物]
  2. 沉积薄膜有更好的粘附能力
  3. 沉积速率可调

沉积图像转移

溶脱剥离法lift-off

蒸发和等离子溅射是适用于溶脱剥离法的常用薄膜沉积技术

溶脱剥离法是制作金属薄膜图形的主要方法， 因为许多金属材料都无法或者难以用刻蚀法形成图形

溶脱剥离法的过程：【课后复习题】

  1. 根据需要去除的涂层材料特性选择合适的溶剂
  2. 将溶剂均匀涂覆在材料表面，或将材料浸泡于溶剂中，使溶剂与涂层充分接触
  3. 保持溶剂与涂层接触一定时间，溶解或软化涂层，直至可以剥离
  4. 用水或其他适当的清洗剂去除材料表面残留的溶剂和涂层，再将材料干燥以恢复其表面状态

成功实现溶脱剥离的关键：【课后复习题】

溶剂的选择、控制反应时间和温度

考察一种薄膜沉积的方法是否适合溶脱剥离法图形转移需要注意两点：

  • 沉积过程的衬底升温

由于利用光刻胶做掩模，每一种光刻胶都有一个玻璃化转变温度，但温度大于该温度时光刻胶开始软化并可流动，导致光刻胶图形坍塌或变形

  • 沉积的方向性

    方向性差时，光刻胶图形边壁也会薄膜沉积，将光刻胶顶部和衬底金属膜连成一体。当清除光刻胶时，整个金属膜一起被清除，或边壁金属膜也留在衬底上

溶脱剥离的局限性：【课后复习题】

  • 溶剂选择受限：部分材料不易被常规溶剂溶解，或所需溶剂可能对基材有损害
  • 时间消耗：较厚或结构复杂的涂层可能需要更长的时间才能溶解，降低操作效率
  • 表面损伤风险：溶剂的侵蚀作用可能会破坏基材表面或导致表面粗糙度改变

改进方法：改进溶剂配方、使用辅助加热和压力、物理辅助剥离(结合超声波、机械剥离工具等)

热蒸发镀膜

热蒸发镀膜特点：【课后复习题】

热蒸发薄膜沉积具有较好的方向性，但沉积速率取决于蒸发源与衬底的距离及相对位置

在非垂直于蒸发源的位置，薄膜沉积的方向性会受到影响，进而会影响剥离转移的成功率

可把样品放置于球面支架上，可获得均匀膜厚和改善方向性

溅射镀膜

溅射镀膜特点：【课后复习题】

溅射法成膜的质量好，且衬底温升低，在需要高质量薄膜图形情况下多采用溅射沉积来实现剥离法图形转移，但溅射法沉积的方向性不如热蒸发沉积法

溅射沉积方向性差的主要原因：溅射靶原子在达到样品之前会经历空间气体原子的频繁碰撞散射，导致靶原子沉积的方向性降低，且溅射靶的尺寸要远远大于热蒸发沉积系统的蒸发源尺寸

改善溅射沉积方向性的两项措施：

  • 增加电极间距

    增加电极间距后，大角度发射的靶原子沉积到样品表面概率降低，也提高方向性，但缺点是靶材料的利用效率降低

  • 安装准直管

    准直管只允许垂直或接近垂直飞行的溅射靶原子达到样品表面，大角度发射的靶原子均落在准直管的侧壁

沉积合金薄膜时，溅射法更优于热蒸发法，因为不同组分的热蒸发温度不同，导致膜的组分可能不同于靶的组分

为什么说热蒸发镀膜和溅射镀膜是适用于溶脱剥离法的薄膜沉积技术【课后复习题】

热蒸发镀膜和溅射镀膜都具备良好的薄膜厚度控制、适中的附着力以及材料多样性，能够形成适合溶脱剥离法的薄膜结构。这些特点使得溶剂能够有效地渗透、溶解或剥离这些薄膜，从而实现高效的溶脱剥离过程。

下切截面(undercut)

光学曝光形成的光刻胶截面一般都是上切(overcut)截面

下切截面通常是指在材料加工过程中，沿着特定深度或角度对材料的表面进行部分削减或刻蚀，使其在垂直于加工方向的截面上呈现出“下切”或凹陷的特征。

成功实现剥离的关键是保证在光刻胶上的金属薄膜与沉积在衬底上的薄膜不连续， 这要求做到两点：

  • 沉积金属薄膜厚度远小于光刻胶层厚度

    一般光刻胶或电子束抗蚀剂的厚度至少是沉积膜厚的3倍才能保证成功剥离

  • 薄膜只沿垂直方向沉积

    要求镀膜具有很好的方向性，可以刻意将光刻胶或电子束抗蚀剂的切面结构做成底宽上窄的形状， 即所谓下切

课后复习题：

  1. 溶脱剥离法的过程是什么?成功实现溶脱剥离的关键是什么?溶脱剥离法有何局限性，如何解决?
  2. 比较一下热蒸发镀膜和溅射镀膜的特点。为什么说它们是适用于溶脱剥离法的薄膜沉积技术?
  3. 什么是下切截面?为什么要下切截面?有什么方法可以实现下切截面?

刻蚀技术

重要参数：刻蚀速率、刻蚀方向、刻蚀均匀性、抗刻蚀比、精细度【课后复习题】

抗刻蚀比：描述刻蚀剂对不同材料刻蚀速率的比值，抗刻蚀比=目标材料的刻蚀速度/掩膜材料的刻蚀速度，高抗刻蚀比好

主要分为湿法刻蚀和干法刻蚀

  • 湿法刻蚀：通常为各向同性刻蚀，具有高选择性，图形尺寸可控性差
  • 干法刻蚀：单纯的物理刻蚀为各向异性刻蚀，无选择性，图形尺寸可控性高，适于小图形制作，对于离子增强或反应离子刻蚀既包含物理刻蚀也包含化学刻蚀作用

湿法刻蚀

湿法腐蚀包含三个主要步骤：

  1. 反应物通过扩散方式到达反应表面
  2. 化学反应在表面发生
  3. 反应生成物通过扩散离开表面

湿法刻蚀的特点：【课后复习题】

高选择性；一般为各项同性；生产量大，装置成本低

湿法刻蚀的速度与什么有关【课后复习题】

刻蚀剂的浓度、刻蚀温度、材料的性质、搅拌速度

课后复习题：

  1. 考察刻蚀技术的重要参数是什么?
  2. 湿法刻蚀的特点是什么?
  3. 湿法刻蚀的速度与什么相关?

干法刻蚀

干法刻蚀技术：是一种图形转移技术，广义上指所有不涉及化学腐蚀液体的刻蚀技术，狭义上的干法刻蚀主要指利用等离子体放电产生的物理和化学的刻蚀过程

反应离子刻蚀RIE：

反应离子刻蚀可简单归纳为离子轰击辅助的化学反应过程

需满足两个必要条件：

  • 具有离子与化学活性气体的参与
  • 刻蚀反应物必须为挥发性物，能够被真空系统及时抽走

反应离子刻蚀的微观过程：物理溅射、离子反应、产生自由基、自由基反应【课后复习题】

刻蚀气体的选择：

  • 一般硅及其硅化物的刻蚀气体主要以氟化物为主
  • III-V族元素化合物材料如GaAs和铝及其化合物的刻蚀气体以氯化物为主
  • 某些III-V族元素化合物半导体材料(GaAs、InP)用氢或烷基气体刻蚀更有效
  • 选择刻蚀气体时应选择生成物沸腾温度低的气体，以便生成物能及时被抽走，有时需对样品台加温

考察反应离子刻蚀性能的主要技术指标：

  1. 掩模材料对衬底材料的抗刻蚀比
  2. 各向异性度
  3. 刻蚀速率
  4. 刻蚀均匀性

反应离子刻蚀的工艺参数：

  • 反应气体流量：流速太快将导致反应气体分子在反应室停留时间缩短，或如果流速太低， 被消耗的反应气体得不到及时供给，都会导致刻蚀速率下降；

  • 放电功率：增加放电功率一般会增加刻蚀速度；但是使得离子对处于阴极表面的样品表面的轰击增加，降低掩模的抗刻蚀比，刻蚀速度和抗刻蚀比不可兼得

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  • 反应室气压：低气压下离子轰击刻蚀占主导；高气压时化学反应刻蚀占主导地位

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  • 被刻蚀样品表面温度：刻蚀速率随温度增加，温度升高的另一个效应是横向刻蚀速率增加，使刻蚀的各向异性度变差，因为化学反应是各项同性的

  • 电极材料：要求阴极材料是化学惰性的，否则阴极本身也会与样品一样被刻蚀

  • 辅助气体：卤素气体中加入少量氧气或氩气会不同程度改进刻蚀效果

反应离子深刻蚀的两个条件：高刻蚀速度和高抗刻蚀比、极好的各项异性【课后复习题】

等离子体刻蚀ICP

通过感应线圈将射频功率从外部耦合进入等离子体发生腔体，等离子体产生区与刻蚀区分开

满足了高刻蚀速度和高抗刻蚀比两个矛盾的要求

Bosch工艺

在Bosch工艺中由于刻蚀与钝化相互转换，而每一部刻蚀都是各向同性的，因此造成刻蚀边壁表面成波纹状

反应离子深刻蚀中存在的问题：

  • 负载效应： 局部刻蚀气体的消耗大于供给引起的刻蚀速度下降或分布不均匀的效应

  • 微沟槽效应： 刻蚀过程中边角的刻蚀深度大于中心部分刻蚀深度的现象

  • 缺口效应：刻蚀到绝缘层后不停止，继续沿绝缘层表面横向刻蚀的现象

  • 离子损伤效应：对刻蚀表面的载流子分布和晶体结构造成损伤

    对于单晶材料， 离子损伤一般可以通过高温退火工艺消除，但最效的降低离子损伤的办法是降低离子能量

等离子体刻蚀： 纯粹的等离子刻蚀主要是化学刻蚀，通过射频(RF)或微波激发反应气体(如O₂、CF₄)，生成化学活性强的自由基，这些自由基与材料发生化学反应生成挥发性副产物。对于平板电极结构，样品放在阳极表面，离子轰击溅射效应可忽略

离子溅射刻蚀：纯粹的物理刻蚀过程，通过惰性气体(通常是氩气)离子的加速撞击，直接将表面原子溅射出去

等离子体溅射：一般不作为刻蚀工具，而作为镀膜沉积工具

说明反应离子刻蚀、等离子刻蚀和离子溅射刻蚀的区别 【课后复习题】

属性 反应离子刻蚀(RIE) 感应耦合等离子体刻蚀(ICP) 离子溅射刻蚀
刻蚀机制 物理撞击 + 化学反应 化学反应 物理撞击
方向性 各向异性 各向异性 各向异性
刻蚀速度 中等 高 低
刻蚀选择性 高 高 低
物理损伤 中等 低 较高
适用材料 硅、氧化硅、氮化硅、III-V族材料 硅、化合物半导体（如GaAs） 金属、耐腐蚀材料
典型应用 集成电路制造和微细结构刻蚀 深刻蚀、高深宽比结构、MEMS制造 刻蚀化学惰性材料、硬材料，金属掩膜刻蚀

课后复习题：

  1. 反应离子刻蚀的微观过程有哪些?
  2. 如何实现反应离子深刻蚀?
  3. 说明反应离子刻蚀、等离子刻蚀和离子溅射刻蚀的区别?

真空技术

真空：气体分子数量低于大气压状态的空间，但不是完全没有

工业大气压：1am=1$\mathrm {kg/cm^2}$=735.56torr

一个大气压约为1公斤压力

起始压强：真空泵开始工作的允许压强，泵的工作原理决定。有些需要真空下开始工作，因此前级泵是必须的

真空泵的分类：抽气式和吸气式

抽气式：

  • 旋片式真空泵
  • 扩散泵
  • 涡轮分子泵
  • 分子拖拽泵

吸气式：

  • 冷凝泵
  • 离子泵
  • 升华泵

旋片式机械泵：

一种常见的机械泵，具有较高的工作效率，通常用于抽取粗真空

工作原理：旋片式机械泵通过偏心转子的旋转，带动滑片与泵壳内壁之间形成密封腔，逐步吸入气体并压缩排出，从而实现真空抽取

扩散泵：

工作原理：通过加热液体（通常是油）蒸发形成蒸汽，蒸汽流带动气体分子向排气口移动，从而实现气体的抽取，适用于超高真空环境

钛升华泵：

工作原理：通过加热钛使其直接从固态升华为气态，在升华和沉积过程中与活性气体结合形成稳定化合物(TiO,TiN)，达到抽气的目的

吸附作用：物理+化学(为主)

注意：

  1. 控制升华速率，使钛充分反应，否则无效；
  2. 吸气面大，抽速高

离子泵：

工作原理：

  1. 产生放电；电子碰撞气体分子发生电离
  2. 离子注入撞击钛阴极，钛表面吸附并捕获这些离子
  3. 钛阴极发生磁控溅射，在阳极上沉积钛膜
  4. 气体分子在钛表面被吸附，然后被掩埋

机械类、热传导类、电离真空计的工作原理：【课后复习题】

机械类真空计：通常通过测量气体压力对固体物体的物理作用来判断真空度，常见的机械类真空计有弹簧式真空计和膜片式真空计

热传导类真空计：基于气体的热导率随气压变化的特性。在真空中，气体分子的碰撞会影响热量的传递，因此气体压力影响热量的传导效率。

电离真空计：基于气体分子在高能电子作用下被电离的过程，通过测量由离子化气体产生的电流来推算气体的压力

课后复习题：

  1. 常见的几类真空泵的工作原理
  2. 机械类、热传导类、电离真空计的工作原理

半导体微纳器件的洁净技术

微纳器件的主要污染来源如下：

  • 空气中的尘埃和颗粒物
  • 人体
  • 湿度和水分
  • 工艺用化学物质
  • 工艺用气体
  • 工艺设备
  • 静电

RCA清洗方法分为三个主要步骤：

RCA-1清洗 (标准清洗1，SC-1)

目的： 去除有机污染物和部分颗粒

清洗液组成：

  • 氨水 (NH₄OH)
  • 过氧化氢 (H₂O₂)
  • 去离子水 (DI水)
  • 通常按比例为1:1:5混合（体积比）

反应原理：氨水使颗粒松散脱离表面，而过氧化氢提供氧化能力，分解有机物

RCA-2清洗 (标准清洗2，SC-2)

目的：去除金属离子污染

清洗液组成：

  • 盐酸 (HCl)
  • 过氧化氢 (H₂O₂)
  • 去离子水 (DI水)
  • 通常按比例为1:1:6混合（体积比）

反应原理： 盐酸通过络合反应有效去除金属离子，过氧化氢增强氧化能力

氢氟酸处理（氧化层去除）

目的：去除表面天然氧化层，恢复硅表面的化学活性。

清洗液组成：

  • 氢氟酸 (HF)
  • 去离子水 (DI水)
  • 通常比例为1:50~1:100（体积比）。

反应原理：HF溶液可以溶解硅表面的氧化层 (SiO₂)，使表面变得疏水性

清洗流程：

  1. 硅片预处理（如去除颗粒）
  2. 进行SC-1清洗，去除有机污染
  3. 用去离子水冲洗
  4. 氢氟酸处理，去除氧化层
  5. 再次用去离子水冲洗
  6. 进行SC-2清洗，去除金属污染
  7. 最后用去离子水冲洗干净并干燥

课后复习题：

  1. 微纳器件的污染来源有哪些？

  2. 什么是RCA衬底清洗方法？

电学测量

电学测量的两个目的：

  • 表征纳米材料和器件的电学性能
  • 探索新的物理现象和知识

重要概念：在导体中，低温低偏压下，只有能量接近费米能量的电子对电导有贡献

常用的电学测量三种方式

  • 半导体参数分析仪
  • 基于数据采集卡的测量系统
  • 基于GPIB的测量系统

探针有可能引入电阻，将两个探针接到一个电极，电阻是否在一个小量级

常用电学测量仪器的几个重要参数：量程；分辨率；灵敏度；串模抑制比；共模抑制比

在测量弱电流和小电压时，哪些影响因素会带来测量误差？

课后复习题：

  1. 在测量弱电流和小电压时，哪些影响因素会带来测量误差？
  2. 在测量小电阻时如何避免引线电阻的影响？