将硅片干法刻蚀技术引入设计性\研究性的普通物理实验

摘要: 对硅的干法刻蚀技术是现代半导体工业中非常重要的一项工艺。本文介绍了如何将硅片干法刻蚀技术引入到设计性、研究性的普通物理实验教学中．以及在相关实验教学的设计、实验内容的编排和教学方式等方面的一些特点。

Abstract: Dry etching technique of silicon is a very important process in the modern semiconductor industry. This article describes how to bring the dry etching technique of silicon into the designed and investigative physics experiment teaching, and some features of the layout of teaching design and content of relevant experiment, as well as the ways of teaching.

关键词：硅；干法刻蚀；等离子体刻蚀；设计性；研究性物理实验；教学改革

Key words: silicon；dry etching；plasma etching；designing; investigative physics experiments；teaching reform

中图分类号：O4 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）35-0150-01

0引言

本文针对当代微电子领域最基本的技术——硅的干法刻蚀，将其引入到普通物理实验中，可为高年级的理工科类学生学习和使用。

1硅片干法刻蚀实验设计和实验内容

实验目的：通过本实验，让学生初步了解硅片刻蚀工艺的基本步骤，培养学生自我实验能力，良好的实验习惯以及严谨求实的科学作风，并使其拓宽眼界，了解现代半导体工业中的基础技术和设备仪器，为今后工作和学习做好准备。实验设备与其器材：ME-3A型多功能磁增强反应离子刻蚀机，硅片，标准RCA清洗溶液，电子天平，其它材料。实验研究课题：在一定的刻蚀功率，气体流量，压强，刻蚀时间下，研究刻蚀速度和硅片刻蚀深度。实验前阅读参考书，仪器使用说明书和浏览文献：回答以下问题：

1.1 关于实验原理①硅片干法刻蚀的基本的反应过程是什么样的？刻蚀硅片的常用气体有哪些？②刻蚀台阶如何形成？③刻蚀速度和刻蚀条件具有怎样的关系？刻蚀深度的常用检测方法和仪器有哪些？在此实验中如何获得刻蚀速度和刻蚀深度数据？（提示：刻蚀前后硅片的质量发生变化。）

1.2 关于硅片清洗①为什么要对硅片进行清洗？常用清洗溶液有哪些？②为什么采用标准RCA溶液进行清洗？其成分和配方是什么样的？③清洗过程清洗时间有什么要求？④清洗过程中有哪些注意事项？有哪些安全措施？

1.3 关于高真空技术①什么叫真空？什么是低真空、高真空和超高真空？什么是真空系统和真空泵的极限真空？②机械泵为什么能抽真空？机械泵为什么不能抽到高真空？机械泵油起什么作用？油太多或太少会怎样？如何检查油量是否合适？机械泵为什么不能抽水蒸气？机械泵停止工作时为什么必须放入大气？③热偶规管的工作原理是什么？它为什么只能测低真空？为什么要经常对它的加热电流进行定标？热偶规管所测的气压是否与气体种类有关？④画出刻蚀机的真空系统，说明各阀门作用。

1.4 关于等离子体刻蚀机①等离子体刻蚀机的基本结构是什么样的，画出基本结构示意图？其各气路之间是如何分配的？②在操作刻蚀机过程中，操作步骤是怎么安排的？各阀门打开的顺序如何？应注意哪些操作步骤？③真空腔的构造如何，是怎样工作的？气体电离后在真空腔中如何分布？真空腔如何清洗？为什么每次关机后，还要将刻蚀机保持一定真空度？④气体钢瓶阀门如何操作？在什么情况下，可以将气体导入刻蚀机的真空腔？⑤流量计的工作原理是什么样的？怎样调节气体流量？⑥功率调节如何使用？在什么情况下才可以进行刻蚀过程？

1.5 关于气体①刻蚀气体的物理性质和化学性质如何，对人是否危险？气体电离时的过程又是怎样的？②如何检测气体导管是否漏气？③尾气如何处理？

2实验步骤

在清楚掌握上述问题后，教师给出一个基本的实验顺序，学生按照教师的指导各自写出详细的实验步骤，相互讨论，最终决定实验步骤。这是本创新型实验的一个关键点，也是一个难点。往往同学们在做实验时，都有相应的实验步骤已近安排好了，同学们只要按部就班地按照实验顺序操作就好了，这是传统大学物理实验的一个陋习。本实验的实验步骤由学生自己安排，能够完全调动和发挥学生的主动意识，每一个学生安排的实验步骤都是他通过自己不断的努力获得的，这样就能够很好的培养学生的动手、科研和综合能力。

该实验应用的原理并不复杂，只是一个简单的化学反应方程式。但是由于接触到真空实验仪器，就变的“困难”一点。由于真空系统操作具有很强的步骤性，所以操作时要特别明确操作步骤及其注意事项。通过本实验可以大大提高学生的动手能力和全面考虑问题的能力，加强团队合作精神，而这些都是现代社会说需要的基本能力。另外一点本实验的另一特色就是在如何获得刻蚀速度和刻蚀深度数据方面，并没有利用较为先进的测量仪器，而是通过采用刻蚀前后质量的改变这一基本现象获得。通过本实验让学生了解，做实验并不是一定需要好的实验设备和条件，往往通过一些简单的现象和常识，然后稍加改动就能获得意想不到的效果，很多科学发现和伟大发明都是在条件恶劣的环境下创造的。在具体实验之前，还可以给学生介绍一下目前现代半导体工业的的现状，让学生对半导体产业有一个全面的了解。有条件的的学校可以组织学生参观一些附近的半导体企业或者与此相关的一些研究所，让学生有切身体会。显然，这样的教材与传统的实验教材有很大的区别，教材中没有实验步骤，只有建议的实验研究课题；没有实验原理，只有一系列的问题，学生必须自己查阅参考书（教材中列出了必读与选读的参考书目），回答这些问题后，才能设计并进行相关的实验，通过认真的研究，反复实践，才能完成实验要求。

3教学方法

设计性、研究性实验的教学内容不同，教学方法也不同。对于高年级学生，这些实验以培养创新能力，动手能力，全面思考问题为目的，要求学生在一个学期的学习中，完成1～2个小型研究课题。要求学生自己调研和查阅资料，自己设计、甚至装配、调试实验装置，直至完成。教师只对其初步方案进行审核，并对其中关键性内容进行恰如其分的指导。在整个实验教学的全过程中，要求学生把学到的知识和技能，有创造性地运用在实验的课题中，得到进一步巩固和提高。学生可以随时与教师交流想法，讨论问题，得到启发和帮助；但不能依赖教师，全部实验工作必须由学生自己完成，实验结束时，每个课题都要写出论文，并进行答辩和交流。

参考文献：

[1]苏润洲，兰城，马永轩，王闯.创新能力的培养在物理实验中的一个具体应用.大学物理实验,2005,(03).

[2]曲金泽.综合性设计性实验教学的实践.实验室研究与探索,2005,(S2).