石英各向异性湿法刻蚀机理及工艺模型研究

摘要

石英晶体各向异性湿法刻蚀是MEMS微机电系统结构加工的重要研究方向之一，然而其复杂的各向异性刻蚀特性致使刻蚀演化过程和结果难以预测和控制。本论文以石英晶体为研究对象，通过实验和理论相结合的方式研究了石英各向异性湿法刻蚀特性和形貌预测方法。实验方面，设计实验获取了石英晶体在不同刻蚀条件下的各向异性刻蚀速率和形貌结构特征，并基于台阶流动理论从原子角度分析了石英晶体的刻蚀过程，解释了不同类型的原子在晶面刻蚀过程中的作用;理论方面，提出了利用进化蒙特卡罗算法模拟石英湿法刻蚀速率和形貌结构的方法，实现了对全晶面刻蚀速率以及不同切型晶片任意掩膜下刻蚀结构和表面形貌的精确模拟。此外，基于表面激活能理论和原子间键能关系提出了微观原子激活能理论，成功地解释了石英晶体刻蚀各向异性的作用机理。论文主要内容如下:
　　首先，针对石英晶体刻蚀衬底建模和表面原子类型划分问题，通过对石英晶体原子结构以及晶面原子排列特征与刻蚀速率之间对应关系的分析，提出了石英类硅键角原子模型和六指数键角分类方法并以此构建了刻蚀衬底模型和界定了表面原子类型。石英晶体不同晶面具有不同的表面原子结构，其刻蚀速率、表面形貌等特性受硅硅以及硅氧原子间相对位置和角度关系影响密切。模型中，表面原子类型由其邻原子数目及夹角关系决定;不同晶面的表面原子类型和所占比例不同。
　　其次，针对石英晶体在刻蚀过程中呈现的各向异性刻蚀形貌和结构特征，提出了石英晶体刻蚀的台阶流动刻蚀理论并分析了台阶处不同类型原子在刻蚀过程中的作用。为了直观地展示不同类型表面原子移除概率的差异，以原子模型理论为基础构建了石英表面原子移除概率函数(QUARTZ-RPF)，以及石英各主要晶面的蒙特卡罗刻蚀衬底形貌仿真模型，明确了晶面原子排列结构与其各向异性刻蚀特性之间以及微观原子刻蚀概率与宏观晶面刻蚀速率之间的关系。
　　再次，为了实现对不同刻蚀工艺条件下石英晶体全晶面刻蚀速率以及不同切型晶面任意掩膜形状刻蚀结构和表面形貌的准确模拟计算，建立了进化蒙特卡罗湿法刻蚀工艺模型(EMC)。依靠少量典型晶面（速率极值处）的实验刻蚀速率，EA进化算法通过不断修正MC刻蚀模型中QUARTZ-RPF方程能量参数的取值来调整各类型表面原子的移除概率以及校核晶面仿真刻蚀速率，最终使各晶面(h k m l)仿真刻蚀速率比值与实验数据趋于一致。此时，QUARTZ-RPF方程具备了精确约束各类型表面原子刻蚀概率和描述石英晶体刻蚀结构和形貌特征的能力。
　　然后，为了充分研究石英晶体的各向异性刻蚀特征以及外部条件对其刻蚀特性的影响作用，设计了相关实验对石英晶体在不同刻蚀条件下的全品面刻蚀速率和多种切向掩膜晶片(Z_cut、At_ cut和Bt_cut)的三维刻蚀结构和表面形貌进行了研究，获得了石英晶体刻蚀各向异性特征的变化规律，明确了刻蚀速率极值处晶面在掩膜特征结构面形成过程中的作用以及探寻了晶面激活能与石英刻蚀各向异性刻蚀速率的关系，为建立的石英刻蚀结构和形貌模拟仿真模型提供了实验和理论依据。
　　最后，为了验证提出的进化蒙特卡罗湿法刻蚀工艺模型的模拟精度，建立了相关模型对不同刻蚀工艺条件下石英全晶面刻蚀速率以及Z_cut、At_cut和Bt_cut掩膜晶片刻蚀结构和形貌进行了预测，并从基于表面激活能理论从微观原子激活能角度解释了石英晶体湿法刻蚀产生各向异性现象的原因。通过对比仿真数据和实验结果表明了EMC石英刻蚀工艺模型可以有效地模拟石英刻蚀速率、结构形貌等各向异性特征。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 石英各向异性湿法刻蚀研究现状

1．2．2 各向异性湿法刻蚀仿真方法

1．3 本文研究目的

1．3．1 刻蚀机理研究

1．3．2 刻蚀实验研究

1．3．3 工艺模型研究

1．4 研究内容

第二章 石英晶体原子结构模型

2．1 石英晶体

2．1．1 石英晶面结构

2．1．2 石英晶面表示

2．2 石英晶面原子排列与表面原子分类方法

2．2．1 单晶硅晶面原子排列特征

2．2．2 石英晶面原子排列特征

2．2．3 石英类硅键角原子模型

2．3 本章小结

第三章 石英衬底刻蚀形貌计算方法

3．1 石英表面原子刻蚀计算

3．1．1 单晶硅表面原子刻蚀过程及移除概率方程

3．1．2 石英表面原子刻蚀过程及移除概率方程

3．2 石英衬底刻蚀形貌计算方法

3．2．1 石英衬底晶胞结构

3．2．2 晶胞内原子相对位置计算

3．2．3 衬底原子空间位置计算

3．3 本章小结

第四章 进化蒙特卡罗参数优化与形貌模型

4．1 蒙特卡罗刻蚀形貌模型

4．1．1 动力学蒙特卡罗算法(KMC)

4．1．2 蒙特卡罗晶面刻蚀模型

4．2 进化蒙特卡罗刻蚀优化模型

4．2．1 进化算法(Evolutionary Algorithms,EA)

4．2．2 进化蒙特卡罗刻蚀优化模型(EMC)

4．2．3 EMC石英刻蚀速率和结构仿真结果

4．3 本章小结

第五章 石英湿法刻蚀实验研究

5．1 石英各向异性刻蚀反应

5．2 石英刻蚀实验方案设计

5．2．1 石英全晶面刻蚀速率获取实验

5．2．2 石英晶片刻蚀微结构获取实验

5．3 实验结果分析与讨论

5．3．1 石英全晶面刻蚀速率实验结果

5．3．2 石英Z_cut掩膜晶片刻蚀结构实验结果

5．3．3 石英AT_cut掩膜晶片刻蚀结构实验结果

5．3．4 石英BT_cut掩膜晶片刻蚀结构实验结果

5．3．5 刻蚀条件对石英各向异性刻蚀速率的影响

5．4 晶面激活能与石英晶体各向异性刻蚀速率的关系

5．5 本章小结

第六章 模型计算结果分析与讨论

6．1 石英全晶面速率模拟结果

6．2 目标参数优化区间限定对仿真结果的影响

6．3 微观原子激活能对各向异性刻蚀的影响机理

6．4 EMC模拟结果与实验数据对比

6．4．1 石英球刻蚀模拟结果

6．4．2 Z_cut晶面刻蚀模拟结果

6．4．3 AT_cut晶面刻蚀模拟结果

6．4．4 BT_cut晶面刻蚀模拟结果

6．5 不同刻蚀条件下EMC工艺模型的精度验证

6．5．1 温度相关性模拟结果与讨论

6．5．2 浓度相关性模拟结果与讨论

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 主要研究工作

7．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间科研成果简介

致谢