ICP刻蝕Si／PMMA選擇比工藝研究?

虎 將，蔡長龍，劉衛國，鞏燕龍

（西安工業大學光電微系統研究所，西安710032）

ICP刻蝕Si／PMMA選擇比工藝研究?

虎 將，蔡長龍，劉衛國，鞏燕龍

（西安工業大學光電微系統研究所，西安710032）

為了將聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）上的圖案等比例的轉移到硅基材料上，對基于感應耦合等離子體技術（Inductively Coupled Plasma，ICP）的Si和PMMA的刻蝕速率進行了研究。結合英國牛津儀器公司的ICP180刻蝕系統，以SF6和O2混合氣體為反應氣體，研究了在其他參數相同的情況下，不同氣體比例對兩種材料刻蝕速率的影響，得到刻蝕速率隨氣體比例變化的曲線，并得出了對于Si和PMMA刻蝕速率相同時的氣體比例。實驗發現，如果增加反應氣體中SF6的比重，會加快Si的刻蝕速率而降低PMMA的刻蝕速率，反之，若降低SF6的比重而增加O2的比重，則會相應降低Si的刻蝕速率而增加PMMA的刻蝕速率。據此，通過調節反應氣體的比例，實現對Si和PMMA的同速率去除。

等離子體刻蝕；Si／PMMA選擇比；圖層轉移

1 引 言

衍射光學元件是利用光波的衍射理論對光波的傳播方向進行偏折的光學元件，其加工制作技術主要包括單點金剛石切削技術，激光輔助加工技術，激光化學沉積技術，以及模壓成型技術等［1］。其中模壓成型技術中要求先加工出高精度的模具，而模壓中模具的重復使用又會對模具造成一定的損害［2］，因此如何低成本的加工出模壓工藝中所需的模具是一個非常有意義的課題。模壓工藝中，對于簡單二維結構的圖層轉移，可以在壓印脫模后，去除固化膠殘留層，以剩余的固化膠為掩膜，對基底材料進行刻蝕去除，最終在基底上得到溝槽狀形貌的結構［3］。對于具有連續浮雕結構的圖層轉移，則需重復以上步驟進行多次套刻，從而對加工精度提出更高的要求，也相應延長了加工周期。

通過分析刻蝕時的不同反應機理，改變通入反應氣體的比例，對基底和固化膠的刻蝕速率進行研究，這樣就可以在上層聚合物上加工出所需結構后，將上層材料上的結構按比例的轉移到下層材料上，而在聚合物上加工結構又相對容易。因此，對Si和常用于熱壓印的PMMA膠［4-6］的刻蝕速率進行研究，探索不同氣體比例對兩種材料刻蝕速率的影響，研究了不同氣體比例下兩種材料的去除速率，得到對兩種材料有相同去除速率的工藝條件，并對刻蝕后硅材料表面的粗糙度進行了測量。

2 ICP刻蝕原理及設備

感應耦合等離子體技術已被廣泛應用于材料的去除加工［7］。其去除是通過一系列的物理和化學反應來完成的，物理反應主要體現在等離子體對材料表面的轟擊，打斷表面材料的化學鍵，并促進生成物的清除；化學反應主要體現在輝光放電產生的等離子體與表面材料反應生成揮發性物質，繼而被真空系統帶走，從而達到對材料的去除。使用感應耦合等離子體對材料進行刻蝕，具有刻蝕速率穩定，表面損傷小，各向異性好等優點［8］，所以其研究越來越被關注，應用范圍也越來越廣泛。

實驗采用的刻蝕設備為Oxford Plasmalabsystem100（ICP180），圖1為該設備的反應腔室構造圖。該系統有兩套自動匹配網絡控制的射頻源［9］，一套用于等離子體的產生，另一套用于加速等離子體，使等離子體以較高的速率轟擊到被去除材料上，發生物理或化學反應。試驗時，將待刻蝕的樣片放到傳送腔內，在真空泵的作用下，兩個腔體內的壓力值會趨于相同，這時閥門打開，系統自動將樣片送入反應腔進行反應。反應時，通入的反應氣體在上層射頻源的作用下產生等離子體，被下層射頻源以較高的速率引下，轟擊到樣片表面進行反應，對待刻蝕的材料進行刻蝕去除。控制通入反應氣體的比例，使樣片上兩種材料的去除速率相同，即可將上層PMMA上的結構轉移到下層硅基材料上。

圖1 ICP180系統原理圖

3 實驗結果及分析

刻蝕采用牛津儀器公司的ICP180刻蝕系統，以SF6與O2的混合氣體為反應氣體［10-11］，刻蝕樣品為部分覆蓋的單晶Si片和旋涂有PMMA膠的Si片。對于PMMA的刻蝕速率，可通過測量刻蝕前后PMMA膜的厚度變化除以對應的刻蝕時間得到，而對于Si的刻蝕速率，可以通過測量經刻蝕去除覆蓋層后留下的臺階高度進行確定，用Talysurf CCI輪廓儀對臺階高度及粗糙度進行測量。

實驗采用的PMMA溶液是將PMMA溶質溶于苯甲醚溶劑（溶質：溶液＝3：10），待溶質充分溶解后用KW-4A／5型勻膠機旋涂在經過清洗的硅片上（旋涂時低速600r／min，高速2000r／min，時間分別為15s和60s），100℃烘干3分鐘后形成厚度均勻的PMMA膜層。

3.1 選擇比

實驗中所采取的刻蝕條件為：溫度50℃，壓強3.99Pa，ICP功率為700W，刻蝕時間3min，每次實驗只是調節氣體比例。圖2是根據實驗數據繪制的不通氣體比例下兩種材料的去除速率。由數據可以看出，隨著SF6與O2比例的逐漸減小，Si的刻蝕速率逐漸減小，而PMMA的刻蝕速率逐漸增加，并在氣體比例為3：10時，刻蝕速率相同，即刻蝕速率位于圖中的交點位置。

之所以會產生這樣的結果，是由于兩種材料不同的反應機理決定的。對于硅的去除，一般依靠含氟氣體與Si發生反應生成揮發性物質；而對于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等有機物，因為其主要由C和H兩種元素組成，C和H化學鍵的結合相對較弱，簡單的物理轟擊就會對其有一定的刻蝕速率，若再通入常用于有機物刻蝕的O2，O2與有機材料反應會生成揮發性的CO2和H2O，會大大增加其刻蝕速率。因此本實驗采用SF6和O2的混合氣體對材料進行刻蝕，反應原理式為［6］：

圖2 刻蝕速率曲線

試驗中通入的O2會降低SF6的比例，使Si的刻蝕速率大大下降，并且O2會對Si起到氧化作用，生成的SiO2也會阻礙刻蝕的進行，從而降低Si的刻蝕速率。同時，通入的SF6也會使O2濃度降低從而降低PMMA的刻蝕速率。因此，不同的氣體比例會對兩種材料有不同的刻蝕速率，當兩種氣體的比例為0時（即只通入O2），Si的刻蝕速率為0，PMMA的刻蝕速率最大。隨著氣體比例的增大，Si的刻蝕速率逐漸增加，而PMMA的刻蝕速率逐漸減小，當氣體比例為1時（即只通入SF6），Si的刻蝕速率增加到最大，PMMA的刻蝕速率卻不降為零，這是由于刻蝕氣體的物理轟擊會對PMMA有一定的去除速率。

3.2 粗糙度

表面粗糙度是反映零件表面微觀幾何形狀誤差的一個重要指標，刻蝕去除后硅基材料的表面粗糙度即圖層轉移后的表面精度，應盡量減小。對刻蝕得到的硅基表面的粗糙度進行測量，粗糙度較小。由于等離子體刻蝕反應離子的微小性及分布的均勻性，相比其他加工方法，刻蝕得到的硅基材料的表面粗糙度要小的多。經Talysurf CCI輪廓儀測量，得到相同去除速率時刻蝕后硅基材料的表面粗糙度平均值為Sa＝0.38nm，圖3為測量得到的一組數據，其中左圖為刻蝕得到的臺階形貌，右圖為臺階底部（經刻蝕去除得到的新表面）的粗糙度數據。

圖3 表面粗糙度

4 結束語

通過實驗，得到了在用ICP技術刻蝕Si和PMMA膠時，不同氣體比例對于Si和PMMA膠的刻蝕速率的影響規律。即，如果增加反應氣體中SF6的比重，會加快Si的刻蝕速率而降低PMMA的刻蝕速率；反之，若降低SF6的比重而增加O2的比重，則會相應降低Si的刻蝕速率而增加PMMA的刻蝕速率。通過合理的調節兩種反應氣體的比例，最終得到了兩者同速率刻蝕的最佳工藝參數，即溫度50℃，壓強3.99Pa，ICP功率為700W，氣體比例SF6：O2＝3：10。通過對刻蝕后硅材料的表面粗糙度進行測量，表明用刻蝕的方法加工出的硅基材料表面粗糙度較小，可達0.38nm，能夠滿足模具制造的要求。

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Technical Study on Selection Ratio of Si／PMMA Based on ICP Etching

HU Jiang，CAIChang-long，LIUWei-guo，GONG Yan-long
（Micro-Optic-Electronics Systems Laboratory，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China）

In order to transfer the pattern from PMMA to silicon-basedmaterialswith equal proportion，the etching rate of Si and PMMA based on inductively coupled plasma（ICP）is studied.Combined with the etching system of British Oxford instruments named ICP180，themixed gas of SF6and O2，as reaction gas，are used to research the etching rate effects of the twomaterials by differentgas ratio under the same parameters.The curve of etching rate change，with the ratio of gas，and the gas ratio under the same etching rate are obtained.The experiments show that the etching rate of Siwill increase，if the proportion of SF6is increased，and the etching rate of PMMA will decrease.And vice versa，if the proportion of SF6is reduced and the proportionof O2is increased，the etching rate of Siwill be decreased and the etching rate of PMMA will be increased.Accordingly，the same etching rate of Siand PMMA is obtained by adjusting the reaction gas ratio.

Plasma etching；Si／PMMA ratio；Pattern transfer

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.01.003

O439；TN305.7

：A

：1002-2279（2014）01-0009-03

國防基礎研究項目（A0920110019）；國防基礎科研計劃資助（A0920110016）。

虎將（1990-），男，陜西禮泉人，碩士研究生在讀，主研方向：光學先進制造技術。

2013-09-23