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什么是金屬蝕刻和蝕刻工藝？
蝕刻是一種利用化學強酸腐蝕、機械拋光或電化學電解對物體表面進行處理的技術。除了增強美感之外，它還增加了對象的附加值。從傳統(tǒng)的金屬加工到高科技半導體制造，都在蝕刻技術的應用范圍之內。
什么是金屬蝕刻？
金屬蝕刻是一種通過化學反應或物理沖擊去除金屬材料的技術。金屬蝕刻技術可分為濕蝕刻和干蝕刻。金屬蝕刻由一系列化學過程組成。不同的蝕刻劑對不同的金屬材料具有不同的腐蝕特性和強度。
金屬蝕刻又稱光化學蝕刻，是指在金屬蝕刻過程中經過曝光、制版、顯影，與化學溶液接觸后，去除金屬蝕刻區(qū)的保護膜，以達到溶解腐蝕、形成凸點、或挖空。最早用于制造銅板、鋅板等印刷凹凸板，廣泛用于減輕儀表板的重量，或加工銘牌等薄型工件。經過技術和工藝設備的不斷改進，蝕刻技術現(xiàn)已應用于航空、機械、化工、半導體制造工藝，進行電子薄件精密金屬蝕刻產品的加工。
蝕刻技術的類型
濕蝕刻：
（圖片來源于互聯(lián)網(wǎng)，如有侵權，聯(lián)系刪除）
濕法蝕刻是將晶圓浸入合適的化學溶液中，或將化學溶液噴射到晶圓上進行淬火，通過溶液與被蝕刻物體的化學反應去除薄膜表面的原子，從而達到蝕刻的目的. 進行濕法刻蝕時，溶液中的反應物首先通過停滯邊界層擴散，然后到達晶片表面，發(fā)生化學反應，產生各種產物。蝕刻化學反應的產物是液相或氣相產物，然后這些產物通過邊界層擴散并溶解到主溶液中。濕法蝕刻不僅會在垂直方向蝕刻，還會有水平蝕刻效果。
干蝕刻：
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干蝕刻通常是等離子蝕刻或化學蝕刻的一種。由于蝕刻效果的不同，等離子體中離子的物理原子、活性自由基的化學反應以及器件（晶圓）的表面原子，或兩者的結合，包括以下內容：
l 物理蝕刻：濺射蝕刻、離子束蝕刻
l 化學蝕刻：等離子蝕刻
l 物理化學復合蝕刻：反應離子蝕刻（RIE）
干蝕刻是一種各向異性蝕刻，具有良好的方向性，但選擇性比濕蝕刻差。在等離子體蝕刻中，等離子體是一種部分離解的氣體，氣體分子被離解成電子、離子和其他具有高化學活性的物質。干蝕刻最大的優(yōu)點是“各向異性蝕刻”。然而，（自由基）干蝕刻的選擇性低于濕蝕刻。這是因為干蝕刻的蝕刻機理是物理相互作用；因此，離子的沖擊不僅可以去除蝕刻膜，還可以去除光刻膠掩模。
蝕刻工藝
根據(jù)金屬的種類，蝕刻工藝會有所不同，但一般蝕刻工藝如下：金屬蝕刻板→清洗脫脂→水洗→烘干→覆膜或絲印油墨→烘干→曝光制圖→顯影→水洗干燥→蝕刻→脫膜→干燥→檢驗→成品包裝。
1. 金屬蝕刻前的清洗工藝：
不銹鋼或其他金屬蝕刻前的工序是清洗處理，主要作用是去除材料表面的污垢、灰塵、油漬等。清洗工藝是保證后續(xù)薄膜或絲印油墨對金屬表面有良好附著力的關鍵。因此，必須徹底清除金屬蝕刻表面的油污和氧化膜。脫脂應根據(jù)工件的油污情況而定。最好在絲印油墨前進行電脫脂，以保證脫脂效果。除氧化膜外，還應根據(jù)金屬種類和膜厚選擇最佳蝕刻液，以保證表面清潔。絲網(wǎng)印刷前必須干燥。如果有水分，
2. 貼干膜或絲印感光膠層：
根據(jù)實際產品材質、厚度、圖形的精確寬度，確定使用干膜或濕膜絲印。對于不同厚度的產品，在應用感光層時，應考慮產品圖形所需的蝕刻處理時間等因素?？梢灾谱鞲窕蚋〉母泄饽z層，覆蓋性能好，金屬蝕刻產生的圖案清晰度高。
3. 干燥：
薄膜或滾印絲印油墨完成后，感光膠層需要徹底干燥，為曝光過程做準備。同時要保證表面清潔，無粘連、雜質等。
4. 曝光：
此工序是金屬蝕刻的重要工序，曝光能量會根據(jù)產品材質的厚度和精度來考慮。這也是蝕刻加工企業(yè)技術能力的體現(xiàn)。曝光工藝決定了蝕刻能否保證更好的尺寸控制精度等要求。
5. 顯影：
將金屬蝕刻版表面的感光膠層曝光后，圖案膠層曝光后固化。之后，將圖案中不需要的部分，即需要腐蝕的部分暴露出來。開發(fā)過程也決定了產品的最終尺寸是否能滿足要求。此過程將徹底去除產品上不需要的感光膠層。
6. 蝕刻或蝕刻工藝：
產品預制工藝完成后，化學溶液將被蝕刻。這個過程決定了最終產品是否合格。這個過程涉及到蝕刻液的濃度、溫度、壓力、速度等參數(shù)。產品的質量需要由這些參數(shù)共同決定。
7. 去除：
蝕刻后的產品表面仍覆蓋一層感光膠，需要去除蝕刻后產品表面的感光膠層。由于感光膠層是酸性物質，所以大多采用酸堿中和法進行膨化。經溢水清洗和超聲波清洗后，去除表面的感光膠層，防止感光膠殘留。
8. 檢測：
取膜完成后，后續(xù)是檢測，包裝，最終成品確認是否符合其規(guī)格。
蝕刻工藝中的注意事項
l 減少側面腐蝕和突出邊緣，提高金屬蝕刻加工系數(shù)：
一般印制板在金屬蝕刻液中的時間越長，側面蝕刻越嚴重。底切嚴重影響印制線的精度，嚴重的底切將無法制作細線。當?shù)浊泻瓦吘墱p少時，蝕刻系數(shù)增加。高蝕刻系數(shù)表明能夠保持細線并使蝕刻的線接近原始圖像的尺寸。無論電鍍抗蝕劑是錫鉛合金、錫、錫鎳合金還是鎳等，過度突出的邊緣都會導致導線短路。由于突出的邊緣容易折斷，因此在導線的兩點之間形成了電橋。
l 提高板與板之間蝕刻加工速率的一致性：
在連續(xù)板蝕刻中，金屬蝕刻加工速率越一致，可以獲得越均勻的蝕刻板。為了在預蝕刻過程中始終保持最佳蝕刻狀態(tài)，需要選擇易于再生和補償、蝕刻速率易于控制的蝕刻溶液。選擇能夠提供恒定操作條件并能夠自動控制各種溶液參數(shù)的技術和設備?？赏ㄟ^控制溶銅量、PH值、溶液濃度、溫度、溶液流動的均勻性等來實現(xiàn)。
l 提高整個板面金屬蝕刻加工速度的均勻性：
板的上下兩面及板面各部分的蝕刻均勻性是由板面金屬蝕刻液流速的均勻性決定的。在蝕刻過程中，上下板的蝕刻速率往往不一致。下板面的蝕刻速率高于上板面。由于溶液在上板表面的積累，蝕刻反應減弱。上下板蝕刻不均可以通過調節(jié)上下噴嘴的噴射壓力來解決。采用噴霧系統(tǒng)，擺動噴嘴，通過使板中心和邊緣的噴霧壓力不同，可以進一步提高板整個表面的均勻性。
蝕刻工藝的優(yōu)點
因為金屬蝕刻工藝是通過化學溶液蝕刻的。
l 保持與原材料的高度一致性。它不改變材料的性能，材料的應力，以及材料的硬度、抗拉強度、屈服強度和延展性?；庸すに囋谠O備內以霧化狀態(tài)蝕刻，表面無明顯壓力。
l 沒有毛刺。產品加工過程中，全程無壓緊力，不會出現(xiàn)卷邊、磕碰、壓點。
l 可配合后工序沖壓完成產品的個性化成型動作，可采用掛點方式進行整版電鍍、粘合、電泳、發(fā)黑等，更具性價比。
l 還可以應對小型化和多樣化，周期短，成本低。
電子束加工和離子束加工
電子束加工和離子束加工是近年來得到較大發(fā)展的新型特種加工.他們在精密微細加工方面,尤其是在微電子學領域中得到較多的應用.通常來說,電子束加工主要用于打孔、焊接等熱加工和電子束光刻化學加工,而離子束加工則主要用于離子刻蝕、離子鍍膜和離子注入等加工.
電子束加工原理
電子束加工(Electron Beam Machining 簡稱EBM)起源于德國.1948年德國科學家斯特格瓦發(fā)明了第一臺電子束加工設備.它是一種利用高能量密度的電子束對材料進行工藝處理的方法統(tǒng).
在真空條件下,利用電子槍中產生的電子經加速、聚焦后能量密度為106~109w/cm2的極細束流高速沖擊到工件表面上極小的部位,并在幾分之一微秒時間內,其能量大部分轉換為熱能,使工件被沖擊部位的材料達到幾千攝氏度,致使材料局部熔化或蒸發(fā),來去除材料.
控制電子束能量密度的大小和能量注入時間,就可以達到不同的加工目的:
1、只使材料局部加熱就可進行電子束熱處理;
2、使材料局部熔化就可以進行電子束焊接;
3、提高電子束能量密度,使材料熔化和汽化,就可進行打孔、切割等加工;
4、利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時產生化學變化的原理,即可進行電子束光刻加工.
電子束主要加工裝置
電子束加工裝置主要由以下幾部分組成:
電子槍
獲得電子束的裝置,它包括:
1、電子發(fā)射陰極-用鎢或鉭制成,在加熱狀態(tài)下發(fā)射電子.
2、控制柵極-既控制電子束的強弱,又有初步的聚焦作用.
3、加速陽極-通常接地,由于陰極為很高的負壓,所以能驅使電子加速.
真空系統(tǒng)
保證電子加工時所需要的真空度.一般電子束加工的的真空度維持在1.33×10-2~ 1.33×10-4 Pa.
控制系統(tǒng)包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流強度控制以及工作臺位移控制.
束流聚焦控制:提高電子束的能量密度,它決定加工點的孔徑或縫寬.
聚焦方法:一是利用高壓靜電場是電子流聚焦成細束;另一種方法是利用"電磁透鏡"靠磁場聚焦.
束流位置控制:改變電子的方向.
工作臺位移控制:加工時控制工作臺的位置.
電源:對電壓的穩(wěn)定性要求較高,常用穩(wěn)壓電源.
電子束加工工藝的特點
電子束能夠極其微細地聚焦(可達l~0.1 μm),故可進行微細加工.
加工材料的范圍廣.能加工各種力學性能的導體、半導體和非導體材料.
加工效率很高.
加工在真空中進行,污染少,加工表面不易被氧化.
電子束加工需要整套的專用設備和真空系統(tǒng),價格較貴,故在生產中受到一定程度的限制.
離子束加工原理
在真空條件下,將離子源產生的離子束經過加速、聚焦后投射到工件表面.由于離子帶正電荷,其質量數(shù)比電子大數(shù)千倍甚至上萬倍,它撞擊工件時具有很大撞擊動能,通過微觀的機械撞擊作用從而實現(xiàn)對工件的加工.
離子束與電子束加工原理基本相同.主要是不同是離子帶正電荷,其質量比電子大數(shù)千倍乃至數(shù)萬倍,故在電場中加速較慢,但一旦加至較高速度,就比電子束具有更大的撞擊動能.
電子束加工是靠電能轉化為熱能進行加工的.離子束加工是靠電能轉化為動能進行加工的.
離子束加工的分類
離子束加工的物理基礎是離子束射到材料表面時所發(fā)生的撞擊效應、濺射效應和注入效應.通常分以下四類:
離子刻蝕
采用能量為0.1~5keV、直徑為十分之幾納米的的氬離子轟擊工件表面時,此高能離子所傳遞的能量超過工件表面原子(或分子)間鍵合力時,材料表面的原子(或分子)被逐個濺射出來,以達到加工目的.這種加工本質上屬于一種原子尺度的切削加工,通常又稱為離子銑削.
離子刻蝕可用于加工空氣軸承的溝槽、打孔、加工極薄材料及超高精度非球面透鏡,還可用于刻蝕集成電路等的高精度圖形.
離子濺射沉積
采用能量為0.1~5keV的氬離子轟擊某種材料制成的靶材,將靶材原子擊出并令其沉積到工件表面上并形成一層薄膜.實際上此法為一種鍍膜工藝 .
離子鍍膜
離子鍍膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉積,另一方面還有高速中性粒子打擊工件表面以增強鍍層與基材之間的結合力(可達10~20MPa).
該方法適應性強、膜層均勻致密、韌性好、沉積速度快,目前已獲得廣泛應用.
離子注入
用5~500keV能量的離子束,直接轟擊工件表面,由于離子能量相當大,可使離子鉆進被加工工件材料表面層,改變其表面層的化學成分,從而改變工件表面層的機械物理性能.
該方法不受溫度及注入何種元素及粒量限制,可根據(jù)不同需求注入不同離子(如磷、氮、碳等).注入表面元素的均勻性好,純度高,其注入的粒量及深度可控制,但設備費用大、成本高、生產率較低.
離子束加工工藝的特點:
加工精度高
離子束加工是目前最精密、最微細的加工工藝.離子刻蝕可達納米級精度,離子鍍膜可控制在亞微米級精度,離子注入的深度和濃度亦可精確地控制.
環(huán)境污染少
離子束加工在真空中進行,特別適宜于對易氧化的金屬、合金和半導體材料進行加工.
加工質量高
離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實現(xiàn)的,加工應力和變形極小,適宜于對各種材料和低剛件零件進行加工.
電子束加工與離子束加工工藝比較
原理比較
電子束加工是在真空條件下,利用聚焦后能量密度極高的電子束,以極高的速度沖擊到工件表面極小面積上,在極短的時間(幾分之一微秒)內,其能量的大部分轉變?yōu)闊崮?使被沖擊部分的工件材料達到幾千攝氏度以上的高溫,從而引起材料的局部熔化和氣化,被真空系統(tǒng)抽走.控制電子束能量密度的大小和能量注入時間,就可以達到不同的加工目的.如只使材料局部加熱就可進行電子束熱處理;使材料局部熔化就可以進行電子束焊接;提高電子束能量密度,使材料熔化和氣化,就可以進行打孔、切割等加工;利用較低能量密度的電子束轟擊高分子光敏材料時產生化學變化的原理,即可以進行電子束光刻加工.
離子束加工的原理和電子束加工基本類似,也是在真空條件下,將離子源產生的離子束經過加速聚焦,使之撞擊到工件表面.不同的是離子帶正電荷,其質量比電子大數(shù)千、數(shù)萬倍,如氬離子的質量是電子的7.2萬倍,所以一旦離子加速到較高速度時,離子束比電子束具有更大的撞擊動能,它是靠微觀的機械撞擊能量,而不是靠動能轉化為熱能來加工的.離子束加工的物理基礎是離子束射到材料表面時所發(fā)生的撞擊效應、濺射效應和注入效應.具有一定動能的離子斜射到工件材料表面時,可以將表面的原子撞擊出來,這就是離子的撞擊效應和濺射效應;如果將工件直接作為離子轟擊的靶材,工件表面就會受到離子刻蝕;如果將工件放置在靶材附近,靶材原子就會濺射到工件表面而被濺射沉積吸附,使工件表面鍍上一層靶材原子的鍍膜;如果離子能量足夠大并垂直工件表面撞擊時,離子就會鉆進工件表面,這就是離子的注入效應.
特點比較
電子束加工的特點:
①由于電子束能夠極其細微地聚焦,甚至能聚焦到0.1μm,所以加工面積和切縫可以很小,是一種精密微細的加工方法.
②電子束能量密度很高,使照射部分的溫度超過材料的熔化和氣化溫度,去除材料主要靠瞬間蒸發(fā),是一種非接觸式加工.工件不受機械力作用,不產生宏觀應力和變形.加工材料范圍很廣,對脆性、韌性、導體、非導體及半導體材料都可以加工.
③電子束的能量密度高,因而加工生產效率很高,例如,每秒鐘可以在2.5mm厚的鋼板上鉆50個直徑為0.4mm的孔.
④可以通過磁場或電子對電子束的強度、位置、聚焦等進行直接控制,所以整個加工過程便于是先自動化.特別是在電子束曝光中,從加工位置找準到加工圖形的掃描.都可實現(xiàn)自動化.在電子束打孔和切割時,可以通過電氣控制加工異型孔,實現(xiàn)曲面弧形切割等.
⑤由于電子束加工是在真空中進行,因而污染少,加工表面不會氧化,特別適用于加工易氧化的金屬及合金材料,一級純度要求極高的半導體材料.
⑥電子束加工需要一整套專用設備和真空系統(tǒng),價格較貴,生產應用有一定的局限性.
離子束加工的特點:
①由于離子束可以通過電子光學系統(tǒng)進行聚焦掃描,離子束轟擊材料是逐層去除原子,離子束流密度及離子能量可以精確控制,所以離子刻蝕可以達到納米(0.001μm)級的加工精度.離子鍍膜可以控制在亞微米級精度,離子注入的深度和濃度也可極精確地控制.因此,離子束是所有特種加工方法中最精密、最微細的加工方法,是當代納米加工技術的基礎.
②由于離子束加工是在高真空中進行,所以污染少,特別適用于對易氧化的金屬、合金材料和高純度半導體材料的加工.
③離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實現(xiàn)的.它是一種微觀作用,宏觀壓力很小,所以加工應力、熱變形等極小,加工質量高,適合于對各種材料和低剛度零件的加工.
④離子束加工設備費用貴、成本高,加工效率低,因此應用范圍受到一定限制.
應用比較
總體而言,電子束加工的加工效率更高,適用范圍更廣;而離子束加工的加工精度更大,是所有特種加工之中最精密、最細微的一種加工方式.
電子束加工根據(jù)其功率密度和能量注入時間的不同,可以用于打孔、切割、蝕刻、焊接、熱處理和光刻等各種類型的加工.
離子束加工的應用范圍正在日益擴大、不斷創(chuàng)新.目前用于改變零件尺寸和表面物理力學性能的離子束加工有:用于從工件上作去除加工的離子刻蝕加工;用于給工件表面涂覆的離子鍍膜加工;用于表面改性的離子注入加工等.
電子束與離子束的加工裝置都有真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分.主要不同的是電子束加工用的是電子槍,離子束加工用的是離子源系統(tǒng).電子束加工相對于離子束加工,加工效率更高,使用范圍也更廣;離子束加工的加工精度更高,是所有特種加工方法中最精密、最微細的加工方法.
近年來,隨著納米科技和半導體集成電路產業(yè)的飛速發(fā)展,具有多功能、高分辨率的電子束加工和聚焦離子束加工技術受到人們空前的重視,它們已成為當前微米納米加工的重要手段.
離子束加工（Ion Beam Machining）
（1）基本原理
離子束加工是在真空狀態(tài)下，將離子源產生的離子流，經加速、聚焦達到工件表面上而實現(xiàn)加工。
（2）主要特點
由于離子流密度及離子能量可以精確控制，因而能精確控制加工效果，實現(xiàn)納米級乃至分子、原子級的超精密加工。離子束加工時，所產生的污染小，加工應力變形極小，對被加工材料的適應性強，但加工成本高。
（3）使用范圍
離子束加工依其目的可以分為蝕刻及鍍膜兩種。
1）蝕刻加工
離子蝕刻用于加工陀螺儀空氣軸承和動壓馬達上的溝槽，分辨率高，精度、重復一致性好。離子束蝕刻應用的另一個方面是蝕刻高精度圖形，如集成電路、光電器件和光集成器件等電子學構件。離子束蝕刻還應用于減薄材料，制作穿透式電子顯微鏡試片。
2）離子束鍍膜加工
離子束鍍膜加工有濺射沉積和離子鍍兩種形式。離子鍍可鍍材料范圍廣泛，不論金屬、非金屬表面上均可鍍制金屬或非金屬薄膜，各種合金、化合物、或某些合成材料、半導體材料、高熔點材料亦均可鍍覆。
離子束鍍膜技術可用于鍍制潤滑膜、耐熱膜、耐磨膜、裝飾膜和電氣膜等。
聚焦離子束FIB
聚焦離子束(FIB)是一種微納米加工技術，其基本原理與掃描電子顯微鏡(SEM)類似，采用離子源發(fā)射的離子束經過加速聚焦后作為入射束，高能量的離子與固體表面原子碰撞的過程中可以將固體原子濺射剝離，所以FIB更多地作為一種工具來直接處理微納米結構。FIB與氣體注入系統(tǒng)（GIS）相結合，可協(xié)助化學氣相沉積、微納米材料及微納米結構的定位誘導沉積與生長或協(xié)助選擇性增強刻蝕具體的材料及結構。
聚焦離子束在微納米結構加工制造中的實際應用中，由于FIB自身的特點和被加工材料等因素的影響，最終加工制造出來的微納米結構有時也會出現(xiàn)一些缺陷，其中包括:
傾斜側壁
在聚焦的束斑內，離子呈現(xiàn)出高斯分布特征，越靠近束斑中心，離子的相對數(shù)量越大。如果離子束按單個像素點刻蝕轟擊樣品，將形成錐形截面輪廓的孔洞。隨著刻蝕深度的增加，截面的錐度將逐漸減小直至飽和。因材料及其晶體取向不同，截面通常會有1.5~4°的錐度。
為了獲得與樣品表面完全垂直的截面，通常采用人為地使樣品傾斜特定角度的方法來補償截面與離子束入射角度的偏差。此外，利用側向入射也可實現(xiàn)切割，并通過刻蝕圖案的定義實現(xiàn)截面和表面之間夾角的調控，從而實現(xiàn)更復雜形狀三維微納米結構的柔性加工。
窗簾結構
聚焦離子束加工樣品截面時，另外一個需要關注的問題是截面的平整度，有時會在截面上出現(xiàn)豎直條紋，被稱為窗簾結構。窗簾結構的形成與聚焦離子束切割固有的傾斜側壁密切相關，當樣品表面有形貌起伏或成分差異時，會產生刻蝕速率的差異，就會形成窗簾結構。
對于表面形貌起伏造成窗簾結構的問題，解決方法一般是采用FIB輔助化學氣相沉積的方法在試樣表面生長保護層來平整試樣表面；還可通過改變離子束入射方向在無起伏表面上進行切割來避免其效應。對成分差異導致窗簾結構可采用搖擺切割方式實現(xiàn)離子束多角度入射消除。
非均勻刻蝕
聚焦離子束能夠直接、快速地對微納米平面圖形結構進行加工與制造，而對非晶體材料或者單質單晶材料進行FIB刻蝕往往能夠獲得很光滑的輪過形狀與底面，而對多晶材料及多元化合物材料而言，因各晶粒取向的差異，不同晶粒區(qū)域刻蝕速率會有所不同，往往表現(xiàn)為非均勻刻蝕且底面不平。
對于多晶材料刻蝕出現(xiàn)的非均勻性加工缺陷，可以通過增大離子束掃描每點的停留時間來加以改善。聚焦離子束轟擊固體材料時，固體材料的原子被濺射逸出的過程中，部分原子會落回樣品表面，該過程稱為再沉積。增大離子束在每點的停留時間，再沉積的影響就會增強，再沉積的原子落入凹陷處的幾率更高，可以起到平坦化的作用，從而改善刻蝕底面的平整性。
左圖為未使用XeF2時離子束切割后的截面流水效應，右圖使用XeF2輔助刻蝕，切割后表面就比較平整
對多元化合物材料中出現(xiàn)的非均勻刻蝕缺陷一般可通過氣體輔助強化刻蝕，使逸出速度更慢的原子和反應氣體生成熔點較低的化合物，從而達到迅速刻蝕和去除的目的。
反應氣體殘留污染
聚焦離子束加工與氣體注入系統(tǒng)相結合可實現(xiàn)輔助化學氣相沉積和特定納米結構的定位生長，該方法稱為聚焦離子束誘導沉積。然而，反應氣體的殘留污染問題不可忽視，與此同時反應氣體還會殘留到試樣表面而導致污染。
去除反應氣體殘留污染的方法通常是對樣品進行加熱使其更快脫附，也可以采用離子轟擊進行刻蝕去除。
聚焦離子束技術由于具有直接、靈活等優(yōu)點而逐步被應用于許多領域。各種微納米結構在加工和制造過程中有時會出現(xiàn)加工缺陷，對其物理根源進行解剖并對其緩解或去除進行研究，能改善聚焦離子束加工性能并盡可能獲得與期望設計一致的微納米結構。
硅干法刻蝕技術——等離子體輔助刻蝕的基礎
應離子刻蝕等等離子體系統(tǒng)的結構中，RIE的一個重要特征是其實現(xiàn)蝕刻方向性的能力，多步等離子體化學在一次運行中成功地用于蝕刻、釋放和鈍化微機械結構。等離子蝕刻對許多變量極其敏感，使得蝕刻結果不一致且不可再現(xiàn)。因此，將處理重要的等離子體參數(shù)、掩模材料及其影響。而且RIE有自己的具體問題，會制定解決方案。反應離子刻蝕工藝的結果以非線性方式取決于大量參數(shù)。因此，仔細的數(shù)據(jù)采集是必要的。此外，對于給定的工藝，需要等離子體監(jiān)測來確定蝕刻終點。本文最后介紹了等離子體刻蝕的一些發(fā)展趨勢。
等離子體輔助刻蝕的基礎簡單；使用氣體輝光放電來離解和離子化相對穩(wěn)定的分子，形成化學反應性和離子性物質，并選擇化學物質，使得這些物質與待蝕刻的固體反應，形成揮發(fā)性產物。等離子體蝕刻可分為單晶片和分批反應器。區(qū)分三個主要群體也很常見；(1)化學等離子體蝕刻，(2)協(xié)同反應離子蝕刻(RIE)和(3)物理離子束蝕刻(IBE)。一般來說，IBE僅顯示出正錐形輪廓、低選擇性和低蝕刻速率，而PE產生各向同性輪廓、高蝕刻速率和高選擇性。由于物理濺射與具有高蝕刻速率和高選擇性的活性物質的化學活性的協(xié)同結合，RIE能夠實現(xiàn)輪廓控制。
與單晶片反應器相比，間歇反應器通常具有較低的蝕刻速率，并且在較低的壓力和較低的功率密度下工作，因此大批量可以實現(xiàn)高產量。不幸的是，純化學等離子蝕刻系統(tǒng)也被稱為“等離子蝕刻系統(tǒng)”，聚乙烯的典型反應器類型包括桶和下游蝕刻機，其中使用微波激發(fā)等離子體。它們的特點是最少的離子轟擊和純化學蝕刻。在需要離子轟擊的應用中，可以使用平行板反應器。在對稱低壓系統(tǒng)中，等離子體電勢很高，兩個電極都受到高能離子的轟擊。通常很難蝕刻特定的襯底材料，因為沒有化學蝕刻劑可用。在這些情況下，通過用定向高能流濺射該層來完成圖案化。
純等離子體化學
通?；跉浜头?、氯和溴等離子體用于硅的反應離子刻蝕，刻蝕產物分別是揮發(fā)性的四氧化硅、四氧化硅、四氧化硅和四氧化硅。基于氟的等離子體通常用于各向同性蝕刻，而基于氯和溴的等離子體如氯主要用于實現(xiàn)各向異性蝕刻輪廓。除了氟基混合物，這些氣體特別危險(Br2或C1化合物)，建議采取特殊預防措施。
在氫硅體系中有著廣泛的表面科學活動，其中大部分都是為了發(fā)展對單晶硅暴露于氫氧化合物中產生的表面結構的理解。硅在CF4等離子體中的刻蝕，發(fā)現(xiàn)刻蝕速率和F原子密度之間存在線性關系，表明F原子直接參與刻蝕過程。硅基等離子體中硅的蝕刻。SF6、CF4、SiF4、NF3、XeF2或F2通常導致掩模的大的底切。Cl基等離子體(Cl2或SiCl4)的蝕刻方向性可以通過觀察到Si和SiO2在室溫下不會被Cl原子自發(fā)蝕刻來解釋，這使得僅離子誘導蝕刻成為可能。
由于含溴原子(溴單層)的硅和二氧化硅的低自發(fā)蝕刻速率，溴化學在反應離子刻蝕工藝開發(fā)中的應用受到了極大的關注。氧等離子體主要用于聚合物蝕刻，并且在硅溝槽蝕刻中很重要，因為它們能夠在之后去除聚合物殘留物。
混合等離子體化學
混合分子(例如。CCl2F2)和氣體(例如。SF6/Cl2)通常用于各向異性蝕刻。如果選擇等離子體化學，使得蝕刻抑制膜可以在溝槽的側壁形成，則定向蝕刻是可能的。通過改變相對原子密度。進料氣體中的氟氯比，可以改變溝槽輪廓。在微機械加工中使用了各種各樣的氟、氯、溴和氧基等離子體，其中含有豐富的氣體添加劑。
在CF4或SF6等離子體中加入N2氣體是蝕刻硅的另一種重要混合物，因為它增加了氟原子密度。與大多數(shù)其他氣體不同，氮氣在激發(fā)時不會離解。相反，它是以束縛激發(fā)態(tài)存在的，而不是原子或離子。物質的電子和熱離解是不一樣的。同樣，在較高的N2含量下，蝕刻將由于稀釋而減少。SF6/N2不同于SF6/O2蝕刻，因為相對更多的SF5離子可以響應偏壓，濺射可能會增加。向CF4等離子體中加入N2具有額外的效果，即由于揮發(fā)性氯化萘種類，聚合物形成減少。以同樣的方式，氟原子或氧原子與裸露的硅反應生成硅原子，氟或N2原子團可能會將硅原子變成硅原子。這種膜是弱鈍化的，因此從未用于離子抑制劑工藝。相反，這些富氟等離子體在硅的快速各向同性蝕刻中是有效的。
等離子體參數(shù)影響
等離子體蝕刻最大的缺點是它對許多變量的極端敏感性。其中一些參數(shù)是眾所周知的，如壓力、功率和流量。然而，更多情況下，目標反應堆材料和清潔度等影響會被無意忽略。與未摻雜的硅相反，高摻雜的硅在Cl2放電中自發(fā)蝕刻。氮型硅比本征硅蝕刻得更快，本征硅比p型硅蝕刻得更快，這種效應本質上不是化學性質的，因為如果摻雜劑沒有被電激活，這種效應就不存在。
溫度是RIE刻蝕中最重要的參數(shù)。它與熵和焓一起控制著反應器中的每一個能量步驟，如吸附和反應。已知許多來源可以提高襯底表面的溫度，例如(1)離子轟擊，(2)襯底表面的放熱反應，(3)射頻。渦流加熱和(4)氣體加熱。
通常，為了穩(wěn)定表面溫度，通過循環(huán)水(或其他液體)穿過靶板來冷卻靶。當然，晶片必須被充分夾緊以最大化從襯底到目標的熱傳遞?；蛘撸梢詫⑾窈み@樣的氣體添加到等離子體中，以從正面冷卻襯底，或者可以利用氦背面冷卻。
問題與解決方案
RIE是一種非常復雜的技術，需要相當長的時間才能熟悉它。不幸的是，這還不是全部RIE有自己的具體問題，本節(jié)將研究其中的一些問題。
在微觀力學中，溝槽的蝕刻深度增加，而溝槽寬度(或開口)保持不變或變得更小?？v橫比(深度、寬度)因此增加，縱橫比相關蝕刻(ARDE)將變得重要。ARDE是側壁彎曲的統(tǒng)稱，即。離子在沿著這些壁的軌跡期間向側壁的偏轉，輪廓的特征尺寸依賴性，即對于不同的溝槽開口觀察到不同的錐形輪廓，以及RIE滯后，即與較寬的溝槽相比，較小的溝槽被蝕刻得較慢、正滯后或較快、負滯后的效果。
反應離子刻蝕對器件性能的影響被認為是由于反應離子刻蝕相關的表面污染和襯底位移損傷。殘余損傷是指最大離子能量或通量，尤其是硅蝕刻速率。當樣品暴露在RIE等離子體中時，損傷將被引入襯底并累積。然而，與此同時，蝕刻將消耗損壞的層。因此，對于高蝕刻速率，應該觀察到很少的殘留損傷。
低壓反應器在泵送設備和晶片冷卻方面比傳統(tǒng)的RIE系統(tǒng)要求更高。對于反應離子刻蝕，需要一臺羅茨鼓風機和一臺渦輪泵在足夠的氣體流量下將壓力保持在10毫托以下。MIE處理的壓力接近1毫托，ECR蝕刻的壓力甚至更低。在這些低壓下適度的氣流需要非常高的泵送速度。對于30 sccm的流量，可能需要使用1500 1s-1渦輪泵。由于實現(xiàn)了高蝕刻速率、顯著的離子轟擊和低壓操作，晶片冷卻是一個關鍵問題。為了控制蝕刻過程，使用晶片夾具或靜電卡盤進行背面氦氣冷卻是必要的。
平行于陰極表面的磁體磁場和垂直于陰極表面的電場線(自偏置)將電子限制在陰極附近的擺線軌跡。因此，電子與氣相物質碰撞的概率增加了，離子中性比在MIE中比在RIE中大50倍。在電子回旋共振中，放電是由微波激發(fā)產生的(通常為2.45千兆赫)。當施加B = 875高斯的磁場時，磁場中電子的回旋運動和微波場之間發(fā)生共振。共振時的電子有效地將微波能量轉化為氣體物質的離解。晶片被放置在放電室下方，并且可以被射頻?；蛘呷A盛頓特區(qū)。被驅動來控制撞擊離子和自由基的能量。這使得能夠比在RIE中更好地控制蝕刻過程。
微納加工技術聚焦離子束FIB應用
聚焦離子束(ed Ion beam, FIB)的系統(tǒng)是利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割儀器。
目前商用系統(tǒng)的離子束為液相金屬離子源(Liquid MetaIon Source,LMIS)，金屬材質為鎵(Gallium, Ga)，因為鎵元素具有低熔點、低蒸氣壓、及良好的抗氧化力；典型的離子束顯微鏡包括液相金屬離子源、電透鏡、掃描電極、二次粒子偵測器、5-6軸向移動的試片基座、真空系統(tǒng)、抗振動和磁場的裝置、電子控制面板、和計算機等硬設備，外加電場于液相金屬離子源，可使液態(tài)鎵形成細小尖端，再加上負電場(Extractor) 牽引尖端的鎵，而導出鎵離子束，在一般工作電壓下，尖端電流密度約為1埃10-8 Amp/cm2，以電透鏡聚焦，經過一連串變化孔徑 (Automatic Variable Aperture, AVA)可決定離子束的大小，再經過二次聚焦至試片表面，利用物理碰撞來達到切割之目的。
微納加工技術聚焦離子束FIB應用領域
聚焦離子束系統(tǒng)除具備電子成像功能之外，因離子的大質量而在加速聚焦之后可以實現(xiàn)材料及器件的蝕刻，沉積和離子注入。
微納加工技術聚焦離子束FIB的應用簡介：
1.IC芯片電路修改
利用FIB物理修改芯片電路可以讓芯片設計者有針對性地在芯片問題處進行檢測，從而更快、更精確地驗證設計方案。如果芯片部分區(qū)域出現(xiàn)了問題，可以利用FIB對該區(qū)域進行隔離或者對該區(qū)域進行功能糾正，從而發(fā)現(xiàn)問題癥結所在。
FIB還能在最終產品量產之前提供部分樣片和工程片,利用這些樣片能加速終端產品的上市時間。利用FIB修改芯片可以減少不成功的設計方案修改次數(shù)，縮短研發(fā)時間和周期。
用FIB在IC芯片特定位置作截面斷層,以便觀測材料的截面結構與材質,定點分析芯片結構缺陷。
3.Probing Pad
在復雜IC線路中任意位置引出測試點, 以便進一步使用探針臺(Probe- station) 或 E-beam 直接觀測IC內部信號。
4.FIB透射電鏡樣品制備
這一技術的特點是從納米或微米尺度的試樣中直接切取可供透射電鏡或高分辨電鏡研究的薄膜。樣品可以是IC芯片，納米材料，顆?；蛘呓涍^表面改性的包覆顆粒等，對纖維狀樣品，橫切面薄膜和縱切面薄膜均可切割。對于含界面的樣品或者納米多層膜而言，這種技術可制備出具有界面結構研究的透射電鏡樣品。技術的另一重要特點是對原始組織損傷很小。
5.材料鑒定
材料各晶向排列方向均不相同，遂穿對比圖像可用于晶界或者晶粒尺寸分布分析。
另外，也可加裝EDS或SIMS進行元素組成分析。
由于FIB加工精度高，設備稀缺，大家做檢測提前預約設備和操作工程師，把樣品處理為3cm以內，標準重點分析位置，做出了細致的分析方案從而均能節(jié)省測試機時和測試費用，若樣品不導電，也可以用噴金，沉積pt，加導電膠等方式輔助樣品導電。進而能清晰成像，快速刻蝕。
離子束修形，離子束拋光工藝
對于光學鏡片元件的制造來說，離子束修形（Ion Beam Figuring，IBF）技術已經逐漸取代機械拋光方法。離子束拋光與傳統(tǒng)的機械拋光方法來說，離子束IBF光學鏡片加工的主要優(yōu)點之一是離子束在光學鏡片加工上的非接觸性，沒有傳統(tǒng)機械工具的接觸導致的損傷后果。離子束修形（Ion Beam Figuring，IBF）技術，也叫離子束成型技術，其對于在IBF光學鏡片加工的研磨鏡片上，特別在離子束非球面加工，具有較好的穩(wěn)定性和精確性，避免了對透鏡材料的機械性導致的亞表面損傷。對于離子束修形相關的物理過程叫做"濺射"，離子濺射可以應用于任何材料，對于加工較硬的材料（如Si或SiC）和拋光高分子材料（如MgF2、CaF2、Si或WC）時，濺射過程的離子束拋光也可以取得比較好的加工效果。另外，離子束可以與低至0.5毫米的微加工工具一起使用，以達到傳統(tǒng)機械技術可能無法達到的微小性的拋光誤差。
離子束修形（Ion Beam Figuring，IBF）的過程是基于微觀尺度上的粒子碰撞，即產生"級聯(lián)碰撞"的結果，通過優(yōu)化其工藝流程（能量、方向），可對級聯(lián)碰撞粒子的運動進行一定程度的控制。在離子束修形IBF過程中（如圖1），一束聚焦的離子束在樣品表面上進行光柵掃描。為了消除表面誤差，計算出一個停留時間矩陣，其中考慮到了離子束成型中的靜電去除輪廓和整體測量的表面誤差，矩陣被進一步轉換為一個由多軸系統(tǒng)組成對應的復雜定位系統(tǒng)的局部速度圖。
圖1 離子束計算概念圖
關于離子束修形（Ion Beam Figuring，IBF）在光學制造行業(yè)的應用上，近期，Asphericon和Hohenstein在《Optik & Photonik》期刊上Volume7, Issue2 May 2012 Pages 56-58的文章中發(fā)表了德國Hohenstein-Ernstthal的MicroSystems公司開發(fā)了"IonScan 3D"的離子束成型系統(tǒng)（圖2）。在與德國Asphericon GmbH公司的合作下，離子束修形IBF的技術已經引入到定制光學元件的生產中，特別是Asphericon非球面元件的定制生產中。IonScan 3D系統(tǒng)集成了一套工藝數(shù)據(jù)和軟件工具，當工藝數(shù)據(jù)被運行，就能自動完成離子束非球面加工流程。在IBF光學鏡片加工中，離子束源的蝕刻輪廓是通過發(fā)射系統(tǒng)的多孔幾何形狀網(wǎng)格來定義的。對于聚焦激光的刻蝕，可以調整其半峰全寬（full width at half maxima，F(xiàn)WHM）值，范圍從0.5毫米到10毫米，刻蝕率需要針對每種材料進行校準。
盡管普通球面透鏡的加工并不是主要采取離子束成型技術加工，如果使用離子束修形技術對球面透鏡進行IBF光學鏡片加工會很容易糾正其離子束拋光中表面的殘余誤差。通常情況下，離子束拋光誤差在峰谷比值（Peak-to-Valley，Pv）和表面粗糙度均方跟值（Root-Mean-Square，RMS）方面上得到10-20倍的改善。在晶圓級的薄膜厚度校正的類似過程中，最終的加工質量很容易達到0.1nm的RMS值。圖3中顯示的是Asphericon在一個微小弧形非球面上實現(xiàn)的加工結果，在離子束非球面加工上有較好的校正效果。由于離子束修形IBF技術是無接觸過程和焦點深度較大（約0.5毫米），所以離子束成型的成像效果對輪廓的特征不敏感。
圖3 非球面透鏡的校正結果（左：校正前，右：校正后）
圖4中展示了Asphericon通過IonS-can 3D處理硅晶體材料的效果，其拋光誤差是在長波長方面，使用了2毫米的工具尺寸便實現(xiàn)了相當好的性能。其表面粗糙度均方根RMS值提高了近20倍！而且在這個過程中，與晶體取向有關的影響明顯得到了改善。在校正前的干涉測量中，由于透鏡在機械加工的結果中，其中心會出現(xiàn)了與晶體取向有關的拋光誤差，而離子束非球面加工對晶體取向相關的影響并不重要，因此在離子束拋光的加工過程中，其中心誤差被完全消除。
圖4 硅非球面的校正結果（左：校正前，右：校正后）
由于離子束修形（Ion Beam Figuring，IBF）技術的無接觸加工的特點，所以IBF光學鏡片加工在處理透鏡表面的凹面時不會面臨加工成型的問題。這一特點，對與透鏡最終的光學表面質量產生較大的影響。另外，離子束修形IBF在性能表現(xiàn)和加工結果上，對于處理加工金屬表面和普通光學材料上一樣比較有優(yōu)勢。
編輯：黃飛
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工商網(wǎng)監(jiān)
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