刻蚀工艺毕业论文

刻蚀工艺毕业论文

表面处理技术在模具发展中有着重要的作用。这是我为大家整理的表面处理技术论文，仅供参考!

显示器防护玻璃表面处理技术

摘 要：采用酸溶液湿法腐蚀和镀制增透、保护膜层的方法，对某型仪表用显示器防护玻璃表面进行了工艺处理，使得表面反射率降低到2%以下，产品可见光波段平均透过率达到86%，表面硬度提高到7.0GPa。产品性能检测和试用情况表明，防护玻璃具有较好的防眩、增透和抗划伤的作用，使用效果良好。

关键词： 防护玻璃;表面处理;反射率;硬度

中图分类号：TQ34 文献标识码：A

Display Protective Glass Surface Treatment Technology

WANG Bao-song, ZHANG Guo-sheng, XIE Qin

(Jinling machine factory of Jiangsu province, Nanjing Jiangsu 211100, China)

Abstract: Display protective glasses of a certain type instrument were technically processed by use of wet etching with acid solution and AR protective coating method. The reflectivity of surface was reduced to 2% below, the average transmittance of products was 86% in visible light, and the hardness of surface was enhanced to 7.0 GPa. The products' performance testing and trials expressed that, the protective glasses have good anti-glare, antireflective, scratch-resistant process and good behaviors.

Keywords: protective glasses; surface treatment; reflectivity; hardness

引 言

显示器作为当今社会一种极为常见的数据和信息的显示方式，在电脑、手机、仪器、仪表等多种设备上具有广泛的应用。根据特殊使用环境的要求，一些仪器设备的显示器往往不直接暴露于外界环境之下，而是在其外部增加一层防护玻璃。防护玻璃的作用主要是保护显示器，防止损坏。针对室外使用情况而言，由于外界视场中光源的强光会在玻璃表面形成较强的反射，影响显示图像在人眼的视觉效果，因此保护玻璃需要具有防眩光、增加透射的作用。王承遇等对玻璃表面结构、表征、测试和处理等方面技术的发展情况进行了报道[1]，文献[2]中指出防眩有三种途径：表面刻蚀、喷涂小颗粒成膜和表面镀膜。在多种防眩处理方法中，化学蚀刻因其方法简单、操作容易、适合于大面积玻璃蚀刻和大规模生产特点而倍受关注[3]。

本文介绍了对某型仪表用显示器防护玻璃的表面工艺处理的工作情况，采取酸溶液化学腐蚀的方法对防护玻璃表面进行处理以增加表面粗糙度，通过条件调节控制表面光泽度指标，使产品达到防眩作用亦不影响人眼视觉效果。后续采用硬质膜料在产品表面制备光学增透膜层，提高产品在可见光波段的透射率和表面硬度。本文制备的防护玻璃具有防眩、增透、抗划伤的作用，达到了较好的使用效果。

1 防眩层的制备

1.1 工艺条件

经材料成分分析，防护玻璃基材是以SiO2为主体，包含Na、Ca、Mg、K等离子的非晶氧化物。文献[4]中报道了在玻璃表面上采用化学腐蚀方法制备折射率连续变化的非均匀膜，该薄膜是折射率渐变的多微孔性结构，在宽光谱范围内有低的反射率，是一种耐久力较好的减反射膜。罗春炼等通过溶液组分含量的调整，研究了提高防眩玻璃透光率的影响因素[5]。对于制备条件上的控制而言，则需要适宜的腐蚀处理条件(温度、时间、反应物成分等因素)，才能使玻璃获得较高的透过率和雾度指标，以达到较好的防眩效果[2]。黄腾超等进行了应用于MOEMS器件的K9玻璃湿法刻蚀工艺的研究[6]。

本文对玻璃所进行的湿法刻蚀，是采用氢氟酸和硝酸为腐蚀液，通过调节酸液比例、温度和时间参数，达到最佳腐蚀效果。腐蚀溶液是以1:1:2比例配比的氢氟酸、硝酸和水混合溶液，腐蚀温度为40℃，刻蚀时间为18～20min。刻蚀效果的评价指标为表面光泽度，即代表了表面反射率的指标高低。本文经试验制得的表面光泽度为50～51的保护玻璃，其性能符合产品性能要求的表面反射率小于2%的技术指标，达到对产品预定的刻蚀效果。

1.2 制备过程

按1:1:2的比例配比氢氟酸、硝酸和水的混合溶液，置于聚四氟乙烯容器瓶内。用水洗方法清洗玻璃表面，不需要腐蚀处理的一面用胶带纸屏蔽起来，将玻璃样片浸泡于混合液中，整体置于水浴恒温箱内，设置水浴恒温箱温度至40℃，保持时间18～20min。反应结束后立即取出玻璃样片，用蒸馏水清洗表面残留混合液，去除屏蔽层，并烘干表面水分。采用表面光学测定仪测量玻璃处理表面的光学反射特性，以保证样品质量。

2 增透、保护膜层的制备

2.1 膜层设计

根据防护玻璃产品的特点要求，需要在表面制备增透、保护膜层以增加光学透射和提高表面硬度。根据双层减反射膜设计原理，若限定镀制在折射率为ng的基底材料上的外层折射率为n1、内层折射率为n2的两层膜的厚度都是λ/4时，欲使波长λ0的反射光减至零，它们的折射率满足如下关系[4]

基底玻璃材料的折射率为1.517，若外层膜选用折射率为1.38的MgF2膜料，经(1)式计算可得n2值为1.70，故内层选用折射率为1.66的Al2O3膜料。在双层减反射膜的基础上构建三层减反射膜，在此两层膜中间插入半波长的ZrO2层，使得透射光谱平滑。在此基础上，对三层膜系结构进行优化，将厚度做了细微调节，使得平均透光率进一步提高，最后膜系结构为G/0.083Al2O3 0.125ZrO2 0.095MgF2/Air。膜系结构中采用了硬度较高Al2O3膜料，有助于提高防护玻璃表面硬度。

2.2 制备方法

文中所采用的镀膜设备为北京科学仪器有限公司生产的zzs-1100型光学真空镀膜机，有分子泵、行星转动装置、清洗离子源、光学膜厚监控仪的电子枪加热蒸发镀膜设备。镀膜前对防护玻璃表面使用乙醚溶液擦拭干净，进腔后进行离子清洗以改善表面性质，后按照膜系结构进行薄膜制备。工艺参数如表1所示。

2.3 指标检测

对膜层的光谱、附着力、摩擦等环境适应性进行了测试，膜层光谱测试曲线如图1所示，膜层的在0.4～0.76μm可见光波段范围内的平均透过率达到99%以上。经试验检测，膜层可通过GJB 2485-1995光学膜层通用规范[7] 对附着力、摩擦、温度、湿热、清擦性、耐溶性和水溶性的检测项目，质量可靠。

3 表面处理效果评析

经过防眩层处理和薄膜镀制的防护玻璃样件制作完成后，对其进行了性能指标检测。通过UV-3600紫外、可见、近红外分光光度计对样件可见光波段光谱进行测试，透射光谱曲线如图2所示，平均透光率达到86%。采用显微硬度计对玻璃样片进行硬度测试，镀膜后表面硬度达到7.0GPa，高于玻璃基底的表面硬度6.6GPa，提高了玻璃表面硬度和抗划伤能力。将防护玻璃安装于仪表显示器上，对其实际使用效果进行测试。在显示器通电状态下，通过人眼观察，显示器表面呈现清晰的图像画面。在太阳光照射情况下观察，显示器图像画面依然清晰，反射太阳光较弱，对人眼没有造成图像不清晰或不适的感觉，整体使用效果良好。

4 结 论

本文对某型仪表用显示器防护玻璃表面进行工艺处理，采用酸溶液湿法腐蚀处理获得防眩层，后利用电子枪加热蒸发镀膜方法制备表面增透、保护膜层。防护玻璃经湿法腐蚀处理，表面反射率指标降低到2%以下，镀制增透、保护膜层后，在可见光波段的平均透过率达到86%，表面硬度提高到7.0GPa。通过性能指标、环境试验和产品试用的方法对产品工艺处理效果进行评析，结果表明，采用该工艺处理的防护玻璃具有较好的防眩、增透和抗划伤的作用，使用效果良好。

参考文献

[1] 王承遇，潘玉昆，卢 琪等. 玻璃表面工程的进展[J]. 玻璃与搪瓷，2003，31(5)：45-50.

[2] 吴春春，杨 辉，袁 骏等. 抗静电防眩膜研究进展[J]. 材料科学与工程，2002，20(1)：133-135.

[3] 胡沛然，韩文爵，王海风等. Na2SiF6和ZnCl2对玻璃防眩光效果的影响研究[J]. 化工新型材料，2009，37(11)：84-95.

[4] 唐晋发，顾培夫，刘 旭等. 现代光学薄膜技术[M]. 杭州：浙江大学出版社，2006.

[5] 罗春炼，韩文爵，王海风等. 提高防眩玻璃透过率的主要影响因素[J]. 化工新型材料，2008，36(12)：89-91.

[6] 黄腾超，沈亦兵，陈海星等. 应用于MOEM S器件的K9玻璃湿法刻蚀工艺的研究[J]. 光学仪器，2004，26(2)：151-155.

[7] 国防科学技术委员会. 中华人民共和国军用标准 光学膜层通用规范 GJB 2485-1995[B]. 中国标准出版社，1995.省略。

铝合金燃油箱表面处理技术

【摘 要】本文概述了铝合金的表面处理技术，通过试验验证了几种铝合金的表面处理技术，分析了铝合金燃油箱的表面处理可行性，对解决铝合金燃油箱表面氧化变暗问题，提升产品外观，延长油箱寿命等具有积极意义。

【关键词】铝合金;燃油箱;钝化;氧化;金属覆膜剂

前言

随着重卡轻量化的发展重卡上的铁质燃油箱逐渐被铝质燃油箱替代，燃油箱采用铝合金材料，不但自重减轻一半以上，内部不生锈，而且铝合金燃油箱以光洁的表面深受用户的青睐，因此这种燃油箱市场前景广阔，逐渐成为应用趋势。但是铝合金燃油箱顾客购买时外观鲜亮，色泽美观，使用大约1年左右铝合金燃油箱“黯然失色”，其表面被雨水、泥沙等腐蚀后，色泽发暗，局部产生白色粉状霉点、发黄，油箱整体色泽不一，严重影响顾客的满意度，见下图1，通过对国内规模化油箱生产企业的了解，发现铝合金燃油箱的表面腐蚀，变色各油箱生产企业都遇到过，各生产企业也在一直寻求铝油箱的表面处理技术，鉴于此笔者对铝合金燃油箱的表面处理技术进行了研究。

图1 腐蚀后的油箱

1 铝制品表面处理技术概述

铝合金燃油箱材料为铝镁合金5052，属于防锈铝，其表面自然形成一层极薄的氧化膜(0.01-0.02um)，有一定的抗腐蚀能力。但这层氧化膜疏松多孔，不均匀，抗腐蚀能力不强，容易沾染污迹，因此铝合金制品通常要进行特殊的表面处理，铝合金的表面处理技术有：钝化、阳极氧化、电镀、喷涂等，这几种处理技术都比较成熟，在一些铝制品上均有应用。

电镀处理技术：铝合金燃油箱是封闭的空心容器，其重量轻，体积大，电镀虽然是一种成熟的处理工艺，电镀层外观漂亮、其耐腐蚀性也较好，但是在铝合金上直接电镀是相当困难的，因为铝表面的氧化膜使得电镀层对铝的附着力很差，因此铝合金电镀必须有特殊的表面预处理，再者铝合金的电镀成本较高，使得这种处理方式并不适合应用于铝合金燃油箱上。

喷涂处理技术：该技术的关键在于解决涂层与铝基体的附着力，因此喷涂前铝合金表面必须进行预处理，其表面预处理需要喷砂或拉毛，再加上磷化或钝化、氧化等形成喷涂底层后，才能形成良好漆膜。其工艺流程较多，喷漆成本较高，其漆膜颜色缺乏金属质感，一般顾客青睐铝合金金属的本色，因此这种处理技术也不适合铝合金燃油箱。若顾客对铝合金燃油箱的外观颜色有特殊要求，比如我公司根据客户的特殊要求也生产黑色的铝合金燃油箱，这种铝合金燃油箱必须经过预处理才能进行粉末喷涂，喷涂后的燃油箱经检测其外表面的耐腐蚀、耐侯性等性能都非常优良，只是产品成本较高。

阳极氧化、钝化、金属覆膜剂等处理技术：铝合金的表面处理技术中阳极氧化是应用最光与最成功的技术，也是研究和开发最深入与最全面的技术，经过阳极氧化处理其表面生成的氧化膜，耐蚀性、耐磨性、装饰性都有显著的提升，其表面可以生成透明的膜，也可以着色成各种彩色的膜。铝合金的钝化处理、金属覆膜剂处理等其工艺流程简单可以将铝制品直接浸入钝化液或者金属覆膜剂溶液中，也可以喷淋在铝制品上。这种处理技术属于化学转化处理，其表面形成的化学转化膜整体性能虽不及阳极氧化膜，但是这种处理技术经济、简便、快速、生产线简单，特别适合大批量零部件的低成本生产。

每种铝制品需要考虑多种因素，选择适合具体产品的处理技术，铝合金燃油箱的表面处理技术方面，目前国内对其研究的还较少，还没有成熟的处理工艺。为此笔者根据铝合金燃油箱的特点，对几种有可能应用的处理技术开展了工艺试验，探索最适合铝合金燃油箱的表面处理技术。

2 铝板表面处理技术试验过程

2.1 提供的试板情况

(1)阳极氧化膜试验，分别对铝合金板材进行了5um ，8um，12um的阳极氧化试验;

(2)透明钝化膜试验，与某钝化技术公司合作开展了铝合金的透明钝化处理试验;

(3)覆膜剂试验，与某化工公司合作开发的铝合金用金属覆膜剂，开展了相关工艺试验。

2.2 开展的试验如下

(1)耐柴油性试验

经各种表面处理的铝板，浸入柴油，经过120h浸泡，检验铝板表面膜层的完好性、附着力、厚度等都合格。

(2)耐泥浆试验

对各种表面处理的铝板经过240小时耐泥浆试验，试验结果全部合格，

(3)盐雾试验

进行了96h的盐雾试验，经处理的试板全部合格，随后再经过120h的盐雾试验，经处理的试板全部合格。

(4)耐灰浆(水泥)试验

第一次试验96h，第二次试验120h，试板经第一次96h水泥试验，未进行表面处理铝板不合格，其余铝板全部合格，第二次经120h水泥试验，透明钝化及金属覆膜处理的铝板合格，阳极氧化处理铝板有轻微腐蚀痕迹，清洗后留有白色痕迹。

2.3 试验结果分析

针对铝合金燃油箱的特殊性，笔者对成熟的几种铝板表面处理技术开展了相关工艺试验，对每种表面处理的铝板都进行了耐柴油性试验，耐泥浆试验，盐雾试验，耐水泥试验。从试验结果来看透明钝化表面处理技术，在铝板表面形成的钝化膜抵抗外界各种腐蚀的的能力较强，能够满足铝合金燃油箱的使用要求;阳极氧化表面处理技术，在铝板表面形成的阳极氧化膜，在耐水泥试验后表面存在轻微的腐蚀，通过对这种阳极氧化膜的深入分析，阳极氧化膜的膜厚及封孔质量是关键控制点，通过对本试验形成的阳极氧化膜检测，其封孔质量不达标，这种阳极氧化膜的其他性能满足使用要求，通过对5um、8um、12um阳极氧化膜的分析，考虑成本及阳极氧化膜的色泽与铝合金燃油箱的本色差别，5um、8um的阳极氧化膜可以应用于铝合金燃油箱的表面处理，需要注意控制阳极氧化膜的封孔质量。

表面进行金属覆膜剂处理，这种表面处理技术与透明钝化的处理技术类似，其优良的耐油、耐高温、防腐及操作方便性，在不改变金属现有外观情况下对各类易氧化金属表面可轻松实现长效防腐效果，是这几种处理技术效果最优的处理方式。

3 结论

本文针对铝合金燃油箱的使用要求开展了相关试验，通过试验验证了透明钝化、阳极氧化、金属覆膜剂表面处理技术应用于铝合金燃油箱的可行性。通过对铝合金燃油箱的适当的表面处理，不仅提高了铝产品外观，还改进了耐蚀、耐候性，满足了铝合金燃油箱的特殊使用要求，延长了产品使用寿命。

本文介绍的透明钝化、阳极氧化、金属覆膜剂表面处理技术，效果好，成本低，可以应用于铝合金燃油箱的工业化生产。

参考文献：

[1]朱祖芳.铝合金阳极氧化与表面处理技术[M].北京：化学工业出版社，2004.

张鉴的主要论文

1． Jian Zhang, Qing-An Huang and Wei-Hua Li，“An ICP etch model based on time multiplexed deep etching”，20th Congress of the International Commission for Optics，SPIE Conference, Vol.6032, Aug., 2005.2． Jian Zhang, Qing-An Huang and Wei-Hua Li，“Study of lag effect in LPHD plasma etching of Si for MEMS applications by variable time steps in numerical methods”，20th Congress of the International Commission for Optics，SPIE Conference, Vol.6032, Aug., 2005.3． Jian Zhang, Qing-An Huang, and Wei-Hua Li, “A Novel Model for Surface Evolvement and Footing Effect Simulations in DRIE Fabrications”，the First Annual IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems 2006, IEEE Xplore4． Jian Zhang, Qing-An Huang and Wei-Hua Li, “A Novel Model for Surface Evolvement and Footing Effect Simulations in DRIE Fabrications”, Review of Advancements in Micro and Nano Technologies (in press)5． Jian Zhang，Qing-An Huang, and Wei-Hua Li， “Simulations for Surface Evolvement and Footing Effect in ICP DRIE Fabrications” Journal of Physics: Conference Series Vol.34, 20066． Jian Zhang，Qing-An Huang, and Wei-Hua Li “Modeling and simulations of DRIE including a footing effect”，International Journal of Computational Materials Science and Surface Engineering Vol.2, No.3-4, 2009, 302-3117． Jian Zhang, Ming-Wu Yang, Xiao-Xiong He and Hao-Chen Qi “Primary Optical System Designing for Optimization of Light-emitting Diode Packages” Optoelectronics Letters (Springer) accepted8. Jian Zhang, Zhi-wen Hu, Hao-chen Qi, Cheng-yue Liu “Primary Optical System Designing for Optimization of Light-emitting Diode Packages” The 4th International Symposium on Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies (AOMATT 2008): Advanced Optical Manufacturing Technologies. Proceedings of the SPIE, Volume 7282, pp. 72821H-72821H-5 (2009).9. HU Zhi-wen, ZHANG Jian, Scientific CCD Camera Caused Biased Estimates of low-light-level Quantitative Fluorescence Imaging Measurement, The 4th International Symposium on Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies (AOMATT 2008): Optical Test and Measurement Technology and Equipment. Proceedings of the SPIE, Volume 7283, pp. 72832Z-72832Z-5 (2009).10. Dongliang Xu, Jian Zhang*Corresponding author, “A Novel 3-D Topography Model for Micro-Manufacturing”, Applied Mechanics and Materials, 2010, Vol.34-35, 477-481.11. Dongliang Xu, Jian Zhang*Corresponding author, “Modeling and Simulating for 3-D Micro-Manufacture Process”, International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology, Proceedings, ICSICT, 2010 (accepted)12.张 鉴，戚昊琛，徐栋梁，胡智文，一种可用于硅刻蚀工艺模拟的三维表面演化算法，电子学报, Vol.39, No.8, 201013.张 鉴，黄庆安，李伟华，“固定宽度结构等离子体刻蚀中Lag效应的数值模拟”，传感技术学报，Vol.19，No.1，200614.张 鉴，黄庆安，李伟华，“MEMS工艺中反应离子深刻蚀硅片的数值模型研究”，传感技术学报，Vol.19, No.5, 200615.张 鉴，黄庆安，李伟华，“电感耦合等离子体（ICP）深刻蚀的模型与模拟” ，仪器仪表学报，Vol.27, No.10, 200616.张 鉴，黄庆安，李伟华，“一种可用于Footing效应模拟的ICP刻蚀模型” ，仪器仪表学报，Vol.28, No.12, 200717.张 鉴，何晓雄，刘成岳，戚昊琛，“基于线算法的ICP深反应离子刻蚀模型”，真空科学与技术学报，No.5，200818.张 鉴, 吕 明, 赵 强. “应用线算法的SU-8胶光刻过程模拟”. 固体电子学研究与进展, 录用19.张 鉴，杨明武等，“LED环氧树脂封装的光学设计与模拟”，合肥工业大学学报 自然科学版，Vol.31, No.10, 200820.张 鉴，方帅，胡智文，许晓琳，“LED封装的一次光学系统优化设计”，半导体光电，Vol.29,No.5,200821.韩 永，赵凤生，张 鉴，“卫星_地面观测数据融合方法研究”，量子电子学报，Vol.20, No.2, Apr., 200322.张 鉴，何晓雄，赵凤生，“利用大气－海洋系统辐射传输模拟水色遥感信息量的变化特性”，量子电子学报，Vol.20, No.5, Oct., 200323.冯 明（研究生），张 鉴，黄庆安，“ICP刻蚀中等离子体分布的模拟”，电子器件，Vol.28, No.3, 200524.胡智文，张 鉴，“壳聚糖胃滞留-漂浮微球体外释药模型研究”，计算机工程与应用 45 (33): 213-215 200925.张 鉴，黄庆安，“ICP刻蚀技术与模型”，微纳电子技术，Vol.42, No.6, 200526.徐栋梁（研究生），张鉴*，微机械加工工艺的三维仿真模型及算法，电子科技，Vol.23，No.8，201027.吕 明，张 鉴*，“SU-8胶光刻的相关效应及其优化方法”，四川师范大学学报（自然科学版）, 33, 2010: 356-359参加国际会议1． Jian Zhang, et al, Oral presentation and Paper presented at 20th Congress of the International Commission for Optics, SPIE Conference, Changchun, China, Aug.21-26, 2005.2． Jian Zhang, et al, Oral presentation and Paper presented at the First Annual IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, Zhuhai, China, Jan.18-21, 2006.3． Jian Zhang, et al, Oral presentation and Paper presented at the International MEMS Conference 2006, Biopolis, Singapore, May 9-12, 2006.4． Jian Zhang, et al, Oral presentation and Paper presented at the 4th International Symposium on Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies (AOMATT 2008) , Chengdu, China, Nov.19-21, 2008.

半导体光刻工艺之刻蚀——干法刻蚀

湿法腐蚀的优点在于可以控制腐蚀液的化学成分，使得腐蚀液对特定薄膜材料的腐蚀速率远远大于其他材料的腐蚀速率，从而提高腐蚀的选择性。但是，由于湿法腐蚀的化学反应是各向同性的，因而位于光刻胶边缘下边的薄膜材料就不可避免的遭到腐蚀，这就使得湿法腐蚀无法满足ULSI工艺对加工精细线条的要求。所以相对于各向同性的湿法腐蚀，各向异性的干法刻蚀就成为了当前集成电路技术中刻蚀工艺的主流。

一、干法刻蚀的原理

干法刻蚀是指利用等离子体激活的化学反应或者是利用高能离子束轰击去除物质的方法。因为在刻蚀中并不使用溶液，所以称之为干法刻蚀。干法刻蚀因其原理不同可分为两种，一种是利用辉光放电产生的活性粒子与需要刻蚀的材料发生化学反应形成挥发性产物完成刻蚀，也称为等离子体刻蚀。第二种是通过高能离子轰击需要刻蚀的材料表面，使材料表面产生损伤并去除损伤的物理过程完成刻蚀，这种刻蚀是通过溅射过程完成的，也称为溅射刻蚀。上述两种方法的结合就产生了第三种刻蚀方法，称为反应离子刻蚀（简称RIE）。

在干法刻蚀中，纵向上的刻蚀速率远大于横向的刻蚀速率。这样，位于光刻胶边缘下边的材料，由于受到光刻胶的保护就不会被刻蚀。不过，在干法刻蚀的过程中，离子会对硅片上的光刻胶和无保护的薄膜同时进行轰击刻蚀，其刻蚀的选择性就比湿法刻蚀差（所谓的选择性是指刻蚀工艺对刻蚀薄膜和其他材料的刻蚀速率的比值，选择性越高，表示刻蚀主要是在需要刻蚀的材料上进行）。

在等离子体中存在有离子、电子和游离基（游离态的原子、分子或原子团）等，这些游离态的原子、分子或原子团等活性粒子，具有很强的化学活性，如果在这种等离子体中放入硅片，位于硅片表面上的薄膜材料原子就会与等离子体中的激发态游离基发生化学反应，生成挥发性的物质，从而使薄膜材料受到刻蚀，这就是等离子体刻蚀的原理和过程。因为等离子体刻蚀主要是通过化学反应完成的，所以具有比较好的选择性，但是各向异性就相对较差。

在溅射刻蚀过程中，等离子体的高能离子射到硅片表面上的薄膜表面时，通过碰撞，高能离子与被碰撞的原子之间就会发生能量和动量的转移，从而使被撞原子受到扰动。如果轰击离子传递给被撞原子的能量比原来的结合能（从几个eV到几十个eV）还要大，就会使被撞原子脱离原来的位置飞溅出来，产生溅射现象。例如，辉光放电中产生的氩离子，其能量高达500eV以上，这种高能离子束轰击硅片上的薄膜表面就会形成溅射刻蚀。溅射刻蚀的优点是各向异性刻蚀，而且效果很好，但是对刻蚀的选择性相对较差。

反应离子刻蚀是一种介于溅射刻蚀与等离子体刻蚀之间的干法刻蚀技术。在反应离子刻蚀中，同时利用了物理溅射和化学反应的刻蚀机制。反应离子刻蚀与溅射刻蚀的主要区别是，反应离子刻蚀使用的不是惰性气体，而是与等离子体刻蚀所使用的气体相同。由于在反应离子刻蚀中化学和物理作用都有助于实现刻蚀，因此就可以灵活的工作条件以求获得最佳的刻蚀效果。举例来说，如果某种气体的等离子体只与Si起化学反应，由于化学反应阻挡层SiO2的存在，就可以得到良好的Si/SiO2刻蚀速率比，从而保证刻蚀选择性的要求。反应离子刻蚀的缺点在于刻蚀重点难以检测。

综上所述，等离子体刻蚀和溅射刻蚀之间并没有明显的界限，一般来说，在刻蚀中物理作用和化学反应都可以发生。我们分析反应离子刻蚀、等离子体刻蚀和溅射刻蚀之间的关系可以看到：在反应离子刻蚀中，物理和化学作用都特别重要；在等离子体刻蚀中，物理效应很弱，主要是化学反应；而在溅射刻蚀中，几乎是纯物理作用。比较这三种刻蚀技术我们还可以发现，它们都是利用低压状态下（约0.01—133Pa）气体放电来形成等离子体作为干法刻蚀的基础，其区别是放电条件、使用气体的类型和所用反应系统的不同。刻蚀反应的模式取决于刻蚀系统的压力、温度、气流、功率和相关的可控参数。目前，在集成电路工艺过程中广泛使用的是反应离子技术。下面简要介绍采用干法刻蚀对集成电路制造中常用材料的刻蚀情况。

二、二氧化硅和硅的干法刻蚀

二氧化硅在集成电路工艺中的应用非常广泛，它可以作为隔离MOSFET的场氧化层，或者是MOSFET的栅氧化层，也可以作为金属间的介电材料，直至作为器件的最后保护层。因此，在集成电路工艺中对SiO2的刻蚀是最为频繁的。在ULSI工艺中对二氧化硅的刻蚀通常是在含有氟化碳的等离子体中进行。早期刻蚀使用的气体为四氟化碳（CF4），现在使用比较广泛的气体主要有CHF3、C2F4、SF4，其目的都是用来提供碳原子核和氟原子与SO2进行反应。以CF4为例，当CF4与高能量电子（约10eV以上）碰撞时，就会产生各种离子、原子团、原子和游离基。其中产生氟游离基和CF3分子的电离反应。氟游离基可以与SiO, 和Si 发生化学反应。反应将生成具挥发性的四氟化硅（SiF4)。

CF4+e——CF3 十F(游离基）＋e

SiO2+4F——SiF4(气）＋02

Si+4F——SiF4(气）

在ULSI工艺中对SiO2 的干法刻蚀主要是用于刻蚀接触窗口，以MOSFET的接触窗口刻蚀为例。在MOSFET的上方覆盖有SiO2 层（通常是硼磷硅玻璃，简称BPSG), 为了实现金属层与 MOSFET的源／漏极之间的接触，需要刻蚀掉位于 MOSFET源／漏极上方的SiO2。为了使金属与 MOSFET源／漏极能够充分接触，源／漏极上方的SiQ2必须彻底清除。但是在使用CF4等离子体对SiO2进行刻蚀时，等离子体在刻蚀完 SiO2之后，会继续对硅进行刻蚀。因此，在刻蚀硅上的二氧化硅时，必须认真考虑刻蚀的选择性问题。

为了解决这一问题，在CF4 等离子体中通常加人一些附加的气体成份，这些附加的气体成份可以影响刻蚀速度、刻蚀的选择性、均匀性和刻蚀后图形边缘的剖面效果。

在使用CF4对硅和二氧化硅进行等离子刻蚀时，如果在CF4的等离子体中加人适量的氧气，氧气也同样被电离。其中，氧原子将与CF4反应生成CO和CO2 , 以及少量的COF2 ,另一方面，氟原子在与SiO2反应的同时，还与CF4原子团（x≤3)结合而消耗掉。在纯CF4等离子体中，由于存在使氟原子消耗的反应，造成氟原子的稳态浓度比较低，所以刻蚀的速度也比较慢。如果加入氧，则氧可与CFx原子团形成COF2 , CO和CO2, 造成CF, 原子团耗尽，从而减少了氟原子的消耗，进而使得CFx等离子体内的氟原子数对碳原子数的比例上升，其结果是氟原子的浓度增加，从而加快SiO2 的刻蚀速度。

对于CF, 刻蚀Si薄膜，也有相同的情况。在CF4刻蚀二氧化硅的过程中，氧的组分大约占20%时刻蚀的速度达到最大值。而使用CF4刻蚀硅，刻蚀速度最大时氧的组分大约占12% 。继续增加氧的组分，刻蚀速度将会下降，而且硅刻蚀速度的下降程度比刻蚀二氧化硅快。对于刻蚀 SiO2而言，氧的组分达到23%之前，刻蚀速度都是增加的，在达到氧组分临界值之后，由于氟原子浓度被氧冲淡，刻蚀速度开始下降。另一方面，由干于反应是在薄膜表面进行的，在刻蚀硅的情况下，氧原子倾向于吸附在Si的表面上，这样就部分地阻挡了氟原子加人反应。随着更多氧的吸附，对Si的刻蚀影响进一步增加。而在刻蚀二氧化硅时就不存在类似的效应。因为等效地看，SiO2的表面一开始就被氧原子所包围。因此，对硅的刻蚀速度最大时，其氧气的组分要小于刻蚀 SiO2的情况。

如果在CF4等离子体中加人氢，情况就会完全不同。在反应离子刻蚀二氧化硅的过程中，在相当低的气压下加大氢的组分，二氧化硅的刻蚀速度随氢的组分的增加而缓慢减小，这种情况可以持续到氢的组分大约占40%.而对于硅的刻蚀来说，刻蚀速度随氢组分的增加快速下降，当氢的组分大于40%时，对Si的刻蚀将停止。在CF4等离子体中加人氢对刻蚀的影响情况。

我们可以通过CF4等离子体刻蚀Si和SiO2的化学反应机制来解释这一现象。在刻蚀Si的过程中，氟原子与氢原子发生反应，从而使氢原子的浓度下降，这样等离子体中碳的含量升高，刻蚀反应就会被生成高分子聚合物的反应所代替，这就减小了对Si的刻蚀速度。另一方面，CFx(x≤3)原子团也可以与Si反应，生成挥发性的 SiF, 但是反应剩余的碳原子会吸附在Si的表面上，这些碳原子就会妨碍后续反应的进行。对于刻蚀SiO2的情况，氟原子也会与氢原子发生反应，氢原子的浓度下降也使SiO2的刻蚀速度减缓。面与刻蚀Si的情况不同的是，在CFx(x≤3)原子团与SiO2反应生成挥发性的SiF4的同时，CFx(X<3)原子团中的碳原子可以与二氧化硅中的氧原子结合，生成CO, CO2以及COF2气体，因此SiO2刻蚀速度的减缓程度要小于刻蚀Si的情况。在氢浓度超过40%以后，由于大量的氟原子与氢反应，CF4等离子体中的碳浓度开始上升，这也会在二氧化硅的表面形成高分个聚合物，从而使SiO2的刻蚀速度下降。

总的来看，在CF4等离子体中添加其他气体成份可影响等离子体内氟原子与碳原予的比例，简称F/C比。如果F/C比比较高（在CF4等离子体中添加氧气）， 其影响倾向于加快刻蚀。反之，如果F/C比比较低（在CF4等离子体中添加氢气）， 刻蚀过程倾向于形成高分子聚合物薄膜。

根据上述研究，可以通过在CF4等离子体中加人其他气体成份的方法，来解决选择性刻蚀 SiO2/Si的问题。如果CF4等离子体中O2的含量增加，刻蚀 Si 和刻蚀 SiO2的速度都加快，并且Si刻蚀速度的加快程度要大于刻蚀 SiO2的情况。因此，在CF4等离子体中加人O2将导致 SiO2/Si 刻蚀的选择性变差。在CF4等离子体中加人氢气对 SiO2的刻蚀影响不大，但是可以减小对Si的刻蚀速度。这说明在CF4等离子体中加人适量的氢气，将可以加强SiO2/Si刻蚀的选择性。

在当前集成电路工艺的干法刻蚀中，通常使用CHF3等离子体来进行SiO2的刻蚀。有时在刻蚀的过程中还要加人少量的氧气来提高刻蚀的速度。此外，SF6和NF3可以用来做为提供氟原子的气体。因为SF6和NF3中不含碳原子，所以不会在Si的表面形成高分子聚合物薄膜。

三、Si3N4的干法刻蚀

在ULSI工艺中，Si3N4的用途主要有两种：一种是在二氧化硅层上通过LPCVD 淀积Si3N4薄膜，然后经过光刻和干法刻蚀形成图形，做为接下来氧化或扩散的掩蔽层，但是并不成为器件的组成部分。这类Si3N4薄膜可以使用CF4, CF4(加O2, SF6和NF3)的等离子体刻蚀。另一种是通过 PECVD 淀积Si3N4做为器件保护层，这层 Si3N4 在经过光刻和干法刻蚀之后，氮化硅下面的金属化层露了出来，就形成了器件的压焊点，然后就可以进行测试和封装了。对于这种Si3N4薄膜，使用CF4-O2等离子体或其他含有F原子的气体等离子体进行刻蚀就可以满足要求。

实际上用于刻蚀SiO2的方法，都可以用来刻蚀 Si3N4.由于Si-N键的结合能介于Si-0键与 Si-Si键之间，所以氮化硅的刻蚀速度在刻蚀 SiO2和刻蚀Si之间。这样，如果对Si3N4/SiO, 的刻蚀中使用 CF4或是其他含氟原子的气体等离子体，对Si3N4/SiO2的刻蚀选择性将会比较差。如果使用 CHF3等离子体来进行刻蚀，对SiO2/Si的刻蚀选择性可以在10以上，而对Si3N4/Si的选择性则只有3~5左右，对 Si3N4/SiO2的选择性只有2~4左右。

刻蚀速率R是干法刻蚀的主要参数，刻蚀速率低，易于控制，但不适合实际生产要求。对于ULSI制造工艺，要有足够的刻蚀速率，且能重复、稳定的运用于生产中。这一节讨论几个影响刻蚀速率的主要因素。

四、离子能量和入射角

因为溅射刻蚀是利用物理溅射现象来完成的，所以，刻蚀速率由溅射率、离子束人射角和入射流密度决定，溅射率S定义为一个人射离子所能溅射出来的原子数。离子能量达到某一阈值能量以后（大约20 eV), 才能产生溅射，要想得到实用的溅射刻蚀速率，离子能量必须比阙值能量大得多（达几百eV以上）。在刻蚀工艺中离子的能量一般≤2keV, 在这 个能量范围内，大多数材料的溅射率随离子能量的增加单调上升，当离子能量达到一定程度之后，刻蚀速率随能量的增加是缓慢的。对于·ULSI所用的材料，Ar+离子能量为500eV 时，溅射率的典型值为0. 5~1. 5.

离子人射角表示离子射向衬底表面的角度（垂直于表面人射时，), 它是溅射率的敏感函数。当人射角大于零并增大时，衬底原子脱离表面飞出的几率增大，但是当人射角超过某一值时，在表面反射的离子增多，溅射率下降。人射角从零逐渐增加，S值也逐渐增大，在某一角度0-0max时，溅射率达到最大值，随后又逐渐减小，当0=90时，溅射率减小到零，即S=0.

在等离子体刻蚀和反应离子刻蚀中，溅射对刻蚀速率的贡献很小，更重要的是离子与材料表面之间的化学反应。但实验证明，由等离子体产生的中性粒子与固体表面之间的作用将加速反应，这种离子加速反应在许多干法蚀工艺中都起着重要作用。图8. 32是离子加速刻蚀的例子，图中分别给出Ar+和XeF2离子束射向硅表面的情况，每种离子束单独人射时，刻蚀速率都相当低。Ar+离子束是物理溅射刻蚀，XeF2解离为Xe 和两个F原子，然后，F原子自发地和硅反应形成挥发性氟化硅。当450 eV的Ar+离子束和XeF2气体同时人射时，刻蚀速率非常高，大约为两种离子束单独刻蚀速率总和的8倍。

图8. 33 表示的是离子加速反应的另一个例子，图中给出的是有Ar+存在时，CI2与硅的反应。与F原子不同，Cl2不能自发地刻蚀硅，当用450eV的Ar+离子束和Cl2同时射向表面时，硅被刻蚀，而且刻蚀速率比 Ar +溅射的刻蚀速率高得多。由图中可以看到，约轰击220秒时加人CI2气，刻蚀速率发生跃变，这是由于大量氯的存在所引起的。

有几种可以解释离子加速反应的机理。① 离子轰击将在衬底表面产生损伤或缺陷，加速了化学反应过程；②离子轰击可直接离解反应剂分子（例如XeF2或Cl2); ③离子轰击可以清除表面不挥发的残余物质。对这些机理及它们的相对重要性的研究仍旧是一个重要课题，并有所争论。

在上述的第一种情况中（XeF2十Si), 没有离子轰击时，离解的F原子可自发地刻蚀硅，但刻蚀速率低，在高能离子轰击下，提高了总刻蚀速率；在第二种情况下，没有高能离子轰击，（Cl2+Si)是不发生反应的。我们称前者为离子增强刻蚀；后一种情况称为离子感应刻蚀。

这两个例子说明，离子束刻蚀情况是与物过程有关的，并不是惰性气体离子的化学反应的贡献。在（XeF2十Si)和（Cl2+Si)的加速反应中，若离子能量为1keV时，Ar+, Ne+和He+离子的加速作用依次为Ar+>Ne+>He+。大量的研究结果表明，这些离子的加速作用与动量转移有关。但是，在CF4及其有关气体的等离子体刻蚀中，情况又不一样，这里离子本身就含有反应剂（例如CF3+）。在用XeF2刻蚀Si，并同时进行离子轰击的情况下，若用CF3+代替Ar+进行轰击，其刻蚀速率基本上不发生变化。因此，高能离子通过物理过程可以增强反应过程，与离子的化学反应无关。

对于反应离子刻蚀，等离子体中产生的主要是中性反应物，这些中性反应物先吸附于固体表面，再与表面原子反应，形成的反应物再解析成挥发性物质，整个反应可有等离子体中的高能离子诱发并加速。当然，高能离子提高反应速率的程度取决于所用的气体，材料和工艺参数的选取。

五、气体成份

气体成份在等离子体刻蚀或反应离子到蚀中是影响刻蚀速率和选择性的关键因素，表8、1是VLSI制造中常用材料的一些代表性刻蚀气体。由表8.1可见，除了去除光削胶和刻蚀有机质之外，VLSI中主要使用卤素气体。选择气体的主要依据是，在等离子刻蚀温度(室温附近)下，它们是否能和剥蚀材料形成挥发性或准挥发性卤化物，由于含卤气体能相当容易地剂蚀VLSI所用的无机材料，而且工艺危害也很小，所以，卤化毒气体占有主要优势。

在反应刻蚀中，经常使用的是含多种成份的混合气体，这些混合气体由一种主要气体加入一种或几种添加剂组成，添加剂的作用是改善刻蚀速率、选择性、均匀性和刻蚀剖面。例如，在刻蚀Si和SiO2时，使用CF4为主的混合气体，

六、气体流速

气体流速决定反应剂的有效供给程度。反应剂的实际需要取决于有效反应物质产生与消耗之间的平衡过程，刻蚀剂损失的主要机制是漂移、扩散、复合以及附着和输运。

在一般工作条件中，气体流速射到蚀邃率R的影响不大，在极端情况下，可以观察到气体液邃的影响，例如，诙邃很小，刻蚀速率受反应剂供给量的限制1相反，当流邃很大时，输运成为反应剂损失的主要原因。是否发生输出损失取决于泵速、气体和反应器内的材料，在一般情况下，活性反应剂的寿命根短，流速的影响不必考虑}当活性剂的寿命较长(例如F原子)时，流速对刻蚀速率R产生影响，由图8.34可见，R-1是流速的线性函数，这与反应剂滞留时间与流速的关系一致，说明在所示的条件下，活性剂的寿命由输运损失决定。

七、温度

在反应剥蚀中，M度对刻蚀速率的影响主要是通过化学反应j直率体现的。为获得均匀、重复的刻蚀速率，必须认真控制衬底温度，等离子体加热是衬底温度上升的主要原因；此外，刻蚀过程的放热效应也不可忽视。

八、压力、功率密度和频率

压力、功率密度和频率都是独立的工艺参数，但在实际中，它们各自对刻蚀工艺的影响是难以预计的。压力和频率较低，而功率密度较高，可以提高电子能量和人射离子的能量，增加功率也可提高等离子体中活性剂和离子的密度。因此，在离子加速反应刻蚀中，降低压力或频率，或增加功率密度，可以获得更好的各向异性刻蚀。

一般刻蚀速率单调地随功率而增加。由于外加功率几乎都要转变为热量，因此，在功率密度板高时，样品温度升高，需要考虑衬底散热，否则，会造成有害的影响。

系统压力对到蚀速率的影响，随刻蚀材料及气体的不同而有明显的差异。随着系统压力増加，刻蚀速率增大，选择合适的刻蚀条件可以获得最大的刻恤速率。

频率主要是通过离子能量面影响到蚀速率。放电的工作电压障频率的降低而增加，因而离子的轰击能量在低频下将比高频下的高，又因为刻蚀速率与您轰击能量成正比，所以，在低频下能获得比较高的划蚀速率。

九、负载效应

在反应刻蚀的过程中，刻蚀的速率往往隲刻蚀面积的增大而减小，这种现象称为负载效应。当反应剂与剥蚀材料的反应迅速时，容易产生负戦效应。如果刻蚀是反应剂的主要损失机制，则刻蚀材料的表面积越大，反应剂的消耗速率就越快。活性物质的产生率由工艺参数(例如压力、功率、频率等)决定，与到蚀材料的多少无关、这样，反应刑的平衡浓度可由产生率和损失率之差决定，在反应离子刻蚀的过程中，刻蚀速率只与被刻蚀的面积成反比，刻蚀的速率R随被刻蚀的面积的増大而减小。这说明在一次刻蚀的过程中，需要刻蚀的硅片数目越多，由于反应原子和原子团的消耗，整体的刻蚀速率就越慢。若等离子体中反应刑的寿命很短，负载效应很小就可以忽略，反应剂的损失机构主要由刻蚀消耗所决定。

在集成电路工艺中，负载效应的出现，将影响图形尺寸的精确控制，因为，随着刻蚀到达终点，被腐材料的表面积迅速减小，此时的刻蚀速率就会比正常划蚀速率高得多，不但进行过刻蚀，而且也加速了倒向刻蚀，给条宽的控制造成困难。

从某种意义上说，负载效应是一种宏观过程，反应室中某个硅片的存在将影响另一硅片的刻蚀速率，这就意味着等离子体中反应剂的输运过程非常迅速，以致等离子体中的反应剂并不存在多大的浓度梯度。当然，被多打虫图形的尺寸和密度不同，也会影响刻蚀速率，这可能是由于反应速率不同，引起反应剂的局部浓度梯度而造成的。