感應(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝參數(shù)的優(yōu)化

感應(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝參數(shù)的優(yōu)化

近年來，微型計算機系統(tǒng)（ss）是一項高科技技術(shù)。采用先進的半技術(shù)，將微機械結(jié)構(gòu)與電路相結(jié)合，具有信息采集、處理和執(zhí)行的功能，以及體積小、重量輕、工作量低的優(yōu)點。ss加工技術(shù)是ss技術(shù)的重點，包括表面微機械技術(shù)和微機械體制造技術(shù)。雕刻技術(shù)是加工的重要部分。也就是說，在硅表面光刻圖案后，通過雕刻工藝將圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠下游的層。一般來說，雕刻技術(shù)分為濕雕刻技術(shù)和干雕刻技術(shù)。在這項工作中，我們調(diào)查了干燥法的雕刻。干法雕刻的主要技術(shù)包括反應(yīng)離子雕刻技術(shù)（rie）和感應(yīng)耦合離子雕刻技術(shù)（sicp）。干法雕刻的優(yōu)點是控制精度高，雕刻均勻性好，污染少。使用api技術(shù)，可以記錄非常垂直和光滑度的葉片，并為最穩(wěn)定和最寬的操作窗口提供一個相對穩(wěn)定的窗口。在sip工藝中，不同材料的雕刻過程中需要選擇合適的涂層，并且需要雕刻氣體對雕刻材料有較高的雕刻速率，以及大多數(shù)侵蝕材料與襯底材料之間的選擇比。對硅和二氧化硅的刻蝕通常使用sa6作為刻蝕氣體，通過ch4、chf3或c4h8作為鈣化氣體，可以獲得高的刻蝕速率和選擇比。通過大量實驗，我們調(diào)查了不同技術(shù)參數(shù)對硅和二氧化硅雕刻速度和選擇比例的影響。1sif4+o22反應(yīng)系統(tǒng)等離子體對材料的刻蝕分為物理刻蝕和化學(xué)刻蝕.物理刻蝕是通過加速離子對基片表面的撞擊,將基片表面的原子濺射出來,以離子能量的損失為代價,達到刻蝕目的.化學(xué)反應(yīng)刻蝕是反應(yīng)等離子體在放電過程中產(chǎn)生許多離子和許多化學(xué)活性中性物質(zhì)即自由基,這些中性物質(zhì)是活躍的刻蝕劑,它與Si、SiO2基片發(fā)生化學(xué)反應(yīng)如下:4F*+Si→SiF4↑(1)4F*+SiO2→SiF4↑+O2↑(2)這種反應(yīng)由于自由基不帶電荷只進行自由運動,所以反應(yīng)是各向同性的,因此在MEMS工藝中要加以抑制.另一類是離子在電場作用下與基片發(fā)生反應(yīng),而且反應(yīng)集中在電場方向上進行,反應(yīng)是各向異性的.等離子體刻蝕是不同反應(yīng)的綜合,其反應(yīng)物的濃度、溫度和壓力對反應(yīng)速度產(chǎn)生重要的影響.因此可根據(jù)不同的刻蝕要求,選擇不同的氣體流量、不同的壓力條件,不同的電極電壓、不同的時間和氣體的不同混合比來滿足不同的工藝要求.ICP系統(tǒng)有2個獨立的13.56M的射頻電源RF1和RF2,一個接到反應(yīng)室外的電感線圈,功率為1500W,另一個接反應(yīng)室內(nèi)的電極,功率為700W.給反應(yīng)室外的線圈加壓時,反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生交變的電磁場,當電場達一定程度時,氣體產(chǎn)生放電現(xiàn)象,進入等離子態(tài),交變的電磁場使等離子體中電子路徑改變,增加等離子體密度.反應(yīng)室內(nèi)的電極電壓提供偏置電壓,給等離子體提供能量,使等離子體垂直作用于基片,并與其反應(yīng)生成可揮發(fā)的氣態(tài)物質(zhì),以達到刻蝕的目的.反應(yīng)生成的可揮發(fā)氣體由機械泵從反應(yīng)室中抽出.感應(yīng)耦合等離子體刻蝕系統(tǒng)還包括供氣系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng),供氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)由流量計控制其流量,抽氣系統(tǒng)由機械泵抽真空,并由真空計測其真空度,整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.2射頻功率對刻蝕速率的影響本實驗使用的是北京創(chuàng)威納科技有限公司生產(chǎn)的ICP-2B型刻蝕機,研究不同工藝條件對刻蝕影響,并從中找出最佳的工藝條件.實驗用的樣片均經(jīng)過嚴格的清洗處理,測量刻蝕的厚度用Olympus表面形貌儀和Dektak3臺階儀測得.實驗1:選擇不同的射頻電源功率、對〈100〉單晶Si和Si上熱生長的SiO2進行刻蝕,用SF6為刻蝕氣體,氣體流量為35mL/min,壓力為0.35Pa,刻蝕時間為5min,RF1和RF2功率對應(yīng)刻蝕結(jié)果如圖2所示.圖2(a)、(b)的實驗數(shù)據(jù)是多次實驗的平均值,從圖中可見,當RF2功率一定時,反應(yīng)氣體對Si和SiO2的刻蝕速率隨RF1功率的增大而加快,Si刻蝕速率的增長幾乎是線性的,而SiO2刻蝕速率的增長較緩慢;當RF2功率相對增大時,Si的刻蝕速率在150W時最大,而SiO2的刻蝕速率在200W時達最大,隨著功率的增加,刻蝕速率反而下降.由于刻蝕是等離子體撞擊樣片原子的過程,最大的刻蝕速率應(yīng)該是一個撞擊離子去掉一個原子,這大概要1keV的能量,當離子能量增加,反而使刻蝕速率下降,而且刻蝕存在一個刻蝕能量的閾值(幾十電子伏).不同的RF1、RF2功率有不同的刻蝕速率比,隨著RF2功率的增大,刻蝕選擇比急劇下降.RF1的功率也不能太大,因為在高功率密度下,反應(yīng)離子的高濃度將使異向刻蝕降低.因此根據(jù)實際的工藝需要,選擇合適的射頻功率是工藝成功的關(guān)鍵.實驗2:選擇不同的氣體流量、壓力,對〈100〉單晶Si和熱生長的SiO2進行刻蝕,用SF6為刻蝕氣體,刻蝕時間為5min,RF1功率為300W,RF2功率為100W,當壓強為0.5Pa,氣體流量變化時刻蝕結(jié)果如圖3(a)示.當流量為50mL/min時,反應(yīng)室內(nèi)的壓強變化時刻蝕結(jié)果如圖3(b)所示.從圖3(a)可見,當氣體流量增大時,單晶硅的刻蝕速率加快.這是由于流速控制刻蝕氣體的總量,氣體流量增大,反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)氣體的濃度增大,相應(yīng)的等離子的濃度增大,撞擊樣片的幾率變大,化學(xué)反應(yīng)速度也加快,所以刻蝕速率加快.但氣體流量增大,SiO2的刻蝕速率反而顯下降趨勢.流量的增加使Si和SiO2的選擇比加大,但是隨著流量的增大,等離子體濃度增大的同時,氣體的平均自由程變小,等離子體的運動方向性變差,刻蝕的各向異性變差.從圖3(b)可見,隨著反應(yīng)室內(nèi)氣體壓力上升,Si和SiO2的刻蝕速率都上升,但存在刻蝕的極限,當壓強上升到1.2Pa時,Si和SiO2刻蝕速率達到極限.壓力的主要作用是影響離子的能量和離子對樣片的撞擊方向.因為壓力增大,等離子體的物理特性、樣片受的壓力、等離子體的能量、活性、化學(xué)反應(yīng)的速度等都發(fā)生變化.存在極限的原因可能是化學(xué)反應(yīng)達到飽和.壓強上升使等離子碰撞的概率上升,因此離子的能量減少,方向性變差.壓力增大的同時,氣體的揮發(fā)性變差,最終也會制約刻蝕速率.實驗3:研究反應(yīng)室內(nèi)的溫度對刻蝕速率的影響.對〈100〉單晶Si和熱生長的SiO2進行刻蝕,用SF6為刻蝕氣體,刻蝕時間為5min,RF1功率為300W,RF2功率為100W,當壓強為0.5Pa,氣體流量為50mL/min時,反應(yīng)室內(nèi)的的溫度和刻蝕速率的關(guān)系如圖4所示.從圖4可見,反應(yīng)室的溫度對刻蝕速率產(chǎn)生較大的影響,特別是對SiO2刻蝕的影響很明顯.當溫度較低時,SiO2刻蝕速率很慢,這有利于提高選擇比.當溫度達到0℃時,Si的刻蝕速率達到最大,當溫度升高時,其刻蝕速率急劇下降,其原因尚不明白.在刻蝕過程中,溫度對SiO2分子結(jié)合能有較大影響,從而影響SiO2刻蝕速率,因此冷卻系統(tǒng)顯得很重要.通常利用去離子水冷卻電極板的溫度,而用He氣冷卻樣片的溫度,有利于提高Si的刻蝕速率及Si和SiO2的選擇比.實驗4:研究刻蝕槽的寬度對刻蝕速率的影響.刻蝕時間20min,上電極功率300W,下電極功率100W,RF2氣體流量為50mL/min,刻蝕溫度為10℃,氣體壓強為0.5Pa,刻蝕深度與刻蝕速率的關(guān)系如圖5所示.從圖5可見,開槽的寬度對刻蝕速率稍有影響,但影響非常微小,這有利于高深寬比刻蝕.實驗5:選擇不同的刻蝕氣體,對〈100〉單晶Si和熱生長的SiO2進行刻蝕,工藝條件和結(jié)果如表1示.從表1可知,SF6對Si和SiO2的刻蝕速率和選擇比都比較高,而其它兩種氣體對兩種刻蝕材料的刻蝕速率和選擇比都比較低.所以在硅和二氧化硅的刻蝕中,為了得到較快的刻蝕速率,通常用SF6為刻蝕氣體,但是,根據(jù)不同的工藝需要,可以選擇不同氣體混合來刻蝕.如在單晶硅深刻蝕中,通常選擇SF6作為刻蝕氣體,C4F8為鈍化氣體,可以得到高的深寬比.如果要刻蝕SiO2,經(jīng)常選擇CHF3、SF6、O2混合氣體作為刻蝕氣體,用CHF3為刻蝕氣體,加入適量的SF6有利于提高SiO2的刻蝕速率.3icp刻蝕工藝參數(shù)對刻蝕速率的影響感應(yīng)耦合等離子刻蝕技術(shù)由于其各向異性、較高的刻蝕速率、對不同材料的刻蝕有較高的選擇比、工藝的可控性等特點,在MEMS加工工藝中