（2）微波等离子体刻蚀加工实验
背景知识：
等离子体刻蚀
刻蚀是利用显影后的光刻胶图形作为掩模，在ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、金属、多晶硅等衬底上腐蚀一定深度的薄膜物质,得到与光刻胶图形相同的集成电路图形。随着集成电路的集成度提高和元件线宽减小，传统的湿化学刻蚀法，由于刻蚀中各向同性的局限性，无法满足刻蚀元件对临界尺寸越来越小的要求，为了精密控制电路元件的尺寸，“湿刻”操作必须转换为等离子体刻蚀的操作。“湿刻”是指用液体化学溶剂腐蚀掉样片表面一定深度的物质。此方法是各向同性刻蚀，线宽一般在3μｍ以上，刻蚀精度差，不均匀，污染环境等。
“干刻”是指用气相刻蚀剂与表面作用，刻蚀产物为挥发性气体并被抽走。等离子体“干刻”是在等离子体存在的条件下，以平面曝光后得到的光刻图形作掩模，通过溅射、化学反应、辅助能量离子(或电子)与模式转换等方式，精确可控地除去衬底表面上一定深度的薄膜物质而留下不受影响的沟槽边壁上的物质的一种加工过程。该过程通常为各向异性且按直线进行。它还具有刻蚀速率高、均匀性和选择性好以及避免废液料污染环境等优点。正因为如此,它得到了广泛的工业应用。在现代工艺水平的超大规模集成电路制造中，等离子体刻蚀成为必须的主要加工技术，它与平面曝光、等离子体化学沉积、掩模、清洗、聚合等技术一起被广泛用于微电子器件、薄膜、材料加工等方面。
等离子体的刻蚀作用及其物理机制
等离子体中带电粒子数密度约为109—1012个/ｃｍ3。负粒子主要是电子，由于它的质量小，速度快，故能量转移小。电子温度Te一般为几个电子伏(ｅＶ)，处于高温(几万Ｋ),远远大于离子温度和中性粒子温度。高温态的电子与室温态中性气体反应生成活化自由基，再与衬底上的材料结合生成易挥发的气体产物，同时刻蚀了基片。在刻蚀过程中,等离子体的主要作用是:
(1)产生原子种类，如Ｃｌ和Ｆ,它们是通过气体ＣＦ4和ＣＣｌ4的辉光放电产生活化自由基，Ｃｌ和Ｆ都是有效的刻蚀剂.例如:
4Ｆ+Ｓｉ→ＳｉＦ4(气体)， 4Ｆ+ＳｉＯ2→ＳｉＦ4(气)+Ｏ2(气)。
结果Ｓｉ和ＳｉＯ2被刻蚀，产物为ＳｉＦ4和Ｏ2气体,可以被抽去。
(2)发生有效刻蚀，例如在氩等离子体中放入氯原子，由于等离子体与氯的协同作用，使得对硅的刻蚀率既远大于单独的气体，又远大于单独的等离子体，这是因为在等离子体条件下，使得氯与硅的化学反应不仅可以发生，而且可以快速进行。
(3)产生各向异性刻蚀，且按直线进行。湿化学刻蚀一般是各向同性的,即各个方向刻蚀速率都一样。例如刻蚀1μｍ厚的薄膜时，上部刻蚀宽度却有3μｍ.随着元件尺寸变小，纯化学湿刻就暴露出它的局限性，于是化学的湿刻转换为等离子体的干刻。与离子轰击方向垂直的平面薄膜被刻蚀，与离子运动方向平行的边壁上物质免遭腐蚀，故等离子体刻蚀是按直线进行的各向异性的刻蚀。
等离子体刻蚀过程
下图为通常的等离子体刻蚀的工艺流程图。
一实验目的
- 学会使用石英管式微波等离子体装置。
- 初步掌握现代高精度低临界尺寸电子元件的制备方法及原理：等离子体刻蚀加工工艺，认识等离子体刻蚀中的各向同性和各向异性现象，了解等离子体参数对刻蚀加工的影响。
- 学会应用等离子体法“干刻”工艺，根据不同要求，设计适合的刻蚀工艺条件。突出其刻蚀速率高、均匀性和选择性好以及环保节能等优点。
- 利用高倍光学读数显微境观察等离子体刻蚀加工前后样品的外观形貌的变化，测算样品的加工尺寸及等离子体的刻蚀加工速率。
下面图形为等离子体刻蚀在玻璃衬底上碳膜的过程示意图，其加工次序从上到下，最后得到去掉模板以后的成品。
二 实验仪器和材料
石英管式微波等离子体装置；1000X光学读数显微镜；玻璃基衬底的碳膜、模板等。
三 实验内容、方法与步骤
1.制备刻蚀用的碳膜、测量膜厚（样品可随设备作为低值易耗品购买）
（1）将清洗干净（将分割好的载玻片先用稀硝酸清洗，再使用酒精或丙酮在超声波清洗机上反复清洗两次，然后烘干；或直接利用等离子体清洗）的玻璃薄片放入镀膜机，制备一层约10µm厚的碳膜（也可由实验室提供）。
（2）将模板放在玻璃基衬底的碳膜上，用干涉显微镜测碳膜和模板的厚度。
2.等离子体刻蚀碳膜
（1）详细了解本实验中等离子体刻蚀的作用机理和反应原理（见图2），并设计温度、压强、时间等条件。
（2）认真阅读石英管式微波等离子体装置的使用说明书，掌握操作规程，熟记注意事项。
（3）将做好掩模的样品放到等离子体装置的样品反应室中的基片台上，使样品平稳居于反应平台上，关闭反应室。
（4）开启装置，使等离子体刻蚀在设定的条件下稳定进行。同时对参数和条件作好记录。
（a）仔细检查装置的各种电源连接无误，接地线已可靠接地。
（b）开总电源，开冷却水电源，打开隔膜阀，开真空泵电源。
（c）机械泵抽真空5分钟后，打开高压开关，调节调压器的输出电压从而调节磁控管的阳极电压和阳极电流，控制微波功率在100W～200W。
（d）调节反射板的位置，激发等离子体。
（e）开流量计，调节流量到设定值。
（f）关隔膜阀，调节高真空微调阀，将工作气压调到设定值。
（5）刻蚀完毕后，关闭等离子体装置：先将高压调到零，关高压开关。关流量计，关机械泵，关冷却水，打开真空室，取出样品。
3.样品观察与量测
（1）在光学显微镜下观察样品的外观形貌的变化。
（2）使用干涉显微镜测出碳膜的宽度和深度，计算刻蚀速率。
（3）总结实验结果，说明影响等离子体刻蚀的速率，选择性，均匀性等的因素。
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