感应耦合等离子体刻蚀工艺参数的优化

感应耦合等离子体刻蚀工艺参数的优化

近年来，微型计算机系统（ss）是一项高科技技术。采用先进的半技术，将微机械结构与电路相结合，具有信息采集、处理和执行的功能，以及体积小、重量轻、工作量低的优点。ss加工技术是ss技术的重点，包括表面微机械技术和微机械体制造技术。雕刻技术是加工的重要部分。也就是说，在硅表面光刻图案后，通过雕刻工艺将图案转移到光刻胶下游的层。一般来说，雕刻技术分为湿雕刻技术和干雕刻技术。在这项工作中，我们调查了干燥法的雕刻。干法雕刻的主要技术包括反应离子雕刻技术（rie）和感应耦合离子雕刻技术（sicp）。干法雕刻的优点是控制精度高，雕刻均匀性好，污染少。使用api技术，可以记录非常垂直和光滑度的叶片，并为最稳定和最宽的操作窗口提供一个相对稳定的窗口。在sip工艺中，不同材料的雕刻过程中需要选择合适的涂层，并且需要雕刻气体对雕刻材料有较高的雕刻速率，以及大多数侵蚀材料与衬底材料之间的选择比。对硅和二氧化硅的刻蚀通常使用sa6作为刻蚀气体，通过ch4、chf3或c4h8作为钙化气体，可以获得高的刻蚀速率和选择比。通过大量实验，我们调查了不同技术参数对硅和二氧化硅雕刻速度和选择比例的影响。1sif4+o22反应系统等离子体对材料的刻蚀分为物理刻蚀和化学刻蚀.物理刻蚀是通过加速离子对基片表面的撞击,将基片表面的原子溅射出来,以离子能量的损失为代价,达到刻蚀目的.化学反应刻蚀是反应等离子体在放电过程中产生许多离子和许多化学活性中性物质即自由基,这些中性物质是活跃的刻蚀剂,它与Si、SiO2基片发生化学反应如下:4F*+Si→SiF4↑(1)4F*+SiO2→SiF4↑+O2↑(2)这种反应由于自由基不带电荷只进行自由运动,所以反应是各向同性的,因此在MEMS工艺中要加以抑制.另一类是离子在电场作用下与基片发生反应,而且反应集中在电场方向上进行,反应是各向异性的.等离子体刻蚀是不同反应的综合,其反应物的浓度、温度和压力对反应速度产生重要的影响.因此可根据不同的刻蚀要求,选择不同的气体流量、不同的压力条件,不同的电极电压、不同的时间和气体的不同混合比来满足不同的工艺要求.ICP系统有2个独立的13.56M的射频电源RF1和RF2,一个接到反应室外的电感线圈,功率为1500W,另一个接反应室内的电极,功率为700W.给反应室外的线圈加压时,反应室内产生交变的电磁场,当电场达一定程度时,气体产生放电现象,进入等离子态,交变的电磁场使等离子体中电子路径改变,增加等离子体密度.反应室内的电极电压提供偏置电压,给等离子体提供能量,使等离子体垂直作用于基片,并与其反应生成可挥发的气态物质,以达到刻蚀的目的.反应生成的可挥发气体由机械泵从反应室中抽出.感应耦合等离子体刻蚀系统还包括供气系统、抽气系统、冷却系统,供气系统和冷却系统由流量计控制其流量,抽气系统由机械泵抽真空,并由真空计测其真空度,整个系统结构如图1所示.2射频功率对刻蚀速率的影响本实验使用的是北京创威纳科技有限公司生产的ICP-2B型刻蚀机,研究不同工艺条件对刻蚀影响,并从中找出最佳的工艺条件.实验用的样片均经过严格的清洗处理,测量刻蚀的厚度用Olympus表面形貌仪和Dektak3台阶仪测得.实验1:选择不同的射频电源功率、对〈100〉单晶Si和Si上热生长的SiO2进行刻蚀,用SF6为刻蚀气体,气体流量为35mL/min,压力为0.35Pa,刻蚀时间为5min,RF1和RF2功率对应刻蚀结果如图2所示.图2(a)、(b)的实验数据是多次实验的平均值,从图中可见,当RF2功率一定时,反应气体对Si和SiO2的刻蚀速率随RF1功率的增大而加快,Si刻蚀速率的增长几乎是线性的,而SiO2刻蚀速率的增长较缓慢;当RF2功率相对增大时,Si的刻蚀速率在150W时最大,而SiO2的刻蚀速率在200W时达最大,随着功率的增加,刻蚀速率反而下降.由于刻蚀是等离子体撞击样片原子的过程,最大的刻蚀速率应该是一个撞击离子去掉一个原子,这大概要1keV的能量,当离子能量增加,反而使刻蚀速率下降,而且刻蚀存在一个刻蚀能量的阈值(几十电子伏).不同的RF1、RF2功率有不同的刻蚀速率比,随着RF2功率的增大,刻蚀选择比急剧下降.RF1的功率也不能太大,因为在高功率密度下,反应离子的高浓度将使异向刻蚀降低.因此根据实际的工艺需要,选择合适的射频功率是工艺成功的关键.实验2:选择不同的气体流量、压力,对〈100〉单晶Si和热生长的SiO2进行刻蚀,用SF6为刻蚀气体,刻蚀时间为5min,RF1功率为300W,RF2功率为100W,当压强为0.5Pa,气体流量变化时刻蚀结果如图3(a)示.当流量为50mL/min时,反应室内的压强变化时刻蚀结果如图3(b)所示.从图3(a)可见,当气体流量增大时,单晶硅的刻蚀速率加快.这是由于流速控制刻蚀气体的总量,气体流量增大,反应室内反应气体的浓度增大,相应的等离子的浓度增大,撞击样片的几率变大,化学反应速度也加快,所以刻蚀速率加快.但气体流量增大,SiO2的刻蚀速率反而显下降趋势.流量的增加使Si和SiO2的选择比加大,但是随着流量的增大,等离子体浓度增大的同时,气体的平均自由程变小,等离子体的运动方向性变差,刻蚀的各向异性变差.从图3(b)可见,随着反应室内气体压力上升,Si和SiO2的刻蚀速率都上升,但存在刻蚀的极限,当压强上升到1.2Pa时,Si和SiO2刻蚀速率达到极限.压力的主要作用是影响离子的能量和离子对样片的撞击方向.因为压力增大,等离子体的物理特性、样片受的压力、等离子体的能量、活性、化学反应的速度等都发生变化.存在极限的原因可能是化学反应达到饱和.压强上升使等离子碰撞的概率上升,因此离子的能量减少,方向性变差.压力增大的同时,气体的挥发性变差,最终也会制约刻蚀速率.实验3:研究反应室内的温度对刻蚀速率的影响.对〈100〉单晶Si和热生长的SiO2进行刻蚀,用SF6为刻蚀气体,刻蚀时间为5min,RF1功率为300W,RF2功率为100W,当压强为0.5Pa,气体流量为50mL/min时,反应室内的的温度和刻蚀速率的关系如图4所示.从图4可见,反应室的温度对刻蚀速率产生较大的影响,特别是对SiO2刻蚀的影响很明显.当温度较低时,SiO2刻蚀速率很慢,这有利于提高选择比.当温度达到0℃时,Si的刻蚀速率达到最大,当温度升高时,其刻蚀速率急剧下降,其原因尚不明白.在刻蚀过程中,温度对SiO2分子结合能有较大影响,从而影响SiO2刻蚀速率,因此冷却系统显得很重要.通常利用去离子水冷却电极板的温度,而用He气冷却样片的温度,有利于提高Si的刻蚀速率及Si和SiO2的选择比.实验4:研究刻蚀槽的宽度对刻蚀速率的影响.刻蚀时间20min,上电极功率300W,下电极功率100W,RF2气体流量为50mL/min,刻蚀温度为10℃,气体压强为0.5Pa,刻蚀深度与刻蚀速率的关系如图5所示.从图5可见,开槽的宽度对刻蚀速率稍有影响,但影响非常微小,这有利于高深宽比刻蚀.实验5:选择不同的刻蚀气体,对〈100〉单晶Si和热生长的SiO2进行刻蚀,工艺条件和结果如表1示.从表1可知,SF6对Si和SiO2的刻蚀速率和选择比都比较高,而其它两种气体对两种刻蚀材料的刻蚀速率和选择比都比较低.所以在硅和二氧化硅的刻蚀中,为了得到较快的刻蚀速率,通常用SF6为刻蚀气体,但是,根据不同的工艺需要,可以选择不同气体混合来刻蚀.如在单晶硅深刻蚀中,通常选择SF6作为刻蚀气体,C4F8为钝化气体,可以得到高的深宽比.如果要刻蚀SiO2,经常选择CHF3、SF6、O2混合气体作为刻蚀气体,用CHF3为刻蚀气体,加入适量的SF6有利于提高SiO2的刻蚀速率.3icp刻蚀工艺参数对刻蚀速率的影响感应耦合等离子刻蚀技术由于其各向异性、较高的刻蚀速率、对不同材料的刻蚀有较高的选择比、工艺的可控性等特点,在MEMS加工工艺中