關(guān)于二氧化硅的干法刻蝕工藝研究

王宏

關(guān)于二氧化硅的干法刻蝕工藝研究

王宏

（中國(guó)振華集團(tuán)永光電子有限公司 貴州貴陽(yáng) 550000）

本文利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)進(jìn)行了多組刻蝕實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究了不同的工藝條件下對(duì)二氧化硅的刻蝕速率、均勻性性能、選擇比等參數(shù)。通過(guò)對(duì)結(jié)果的比較和分析，本文得到了相對(duì)而言最佳工藝條件。

反應(yīng)離子刻蝕；選擇比；最佳工藝條件

1 反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)的基本原理和具體研究方法

1.1 基本原理

反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)包含了物理和化學(xué)變化的刻蝕工藝，故它既有離子濺射刻蝕技術(shù)的特點(diǎn)又有等離子化學(xué)刻蝕的特點(diǎn)，其分辨率高，反應(yīng)速率快。刻蝕的過(guò)程是：首先射頻輝光放電，然后反應(yīng)的氣體被擊穿，最后生成了等離子體。由于等離子體之中一般包含了正、負(fù)離；長(zhǎng)、短壽命的游離基以及可移動(dòng)的自由電子，故等離子體易和刻蝕樣品的表面發(fā)生一些化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)，離子受到電場(chǎng)力的作用會(huì)射向樣品的表面，物理轟擊這些表面。在物理變化和化學(xué)變的作用下，樣品的刻蝕工作得以完成。

1.2 研究的基本方法

選取硅片當(dāng)作襯底的材料，借助CVD的方法在襯底產(chǎn)一層二氧化硅。在沉積的工藝條件基本相同的前提下，改變沉積所需的時(shí)間來(lái)調(diào)整二氧化硅膜的厚度，以保證后續(xù)研究是可行的。在上層部位的二氧化硅薄膜基本生長(zhǎng)好后，硅片表面膜厚不一定是在均勻分布的，故有必要測(cè)量原始的厚度，進(jìn)而確保膜厚數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這里采用的測(cè)量?jī)x器是橢偏儀，既能測(cè)量出薄膜的厚度和折射率，又具靈敏度高、精度好、操作方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)測(cè)量不具有破壞性。

在確定完薄膜的厚度后，才能利用干法刻蝕二氧化硅。這里需要注意的是刻蝕過(guò)程中不能將膜完全刻蝕，因?yàn)橥耆目涛g會(huì)使測(cè)得的結(jié)果反應(yīng)二氧化硅和襯底硅的綜合的反應(yīng)速率，出現(xiàn)偏差。整個(gè)反應(yīng)中，以CHF3作為刻蝕氣體，將CHF3通入到反應(yīng)室之中，在輝光放電中發(fā)生的具體的化學(xué)反應(yīng)為：

CHF3+e-→CHF2++F（游離基）+2e-

生成的F原子在到達(dá)二氧化硅膜表面后，發(fā)生的進(jìn)一步反應(yīng)為：

SO2+4F→SiF4↑+O2↑

在高壓作用下，二氧化硅表面分解出的氧離子會(huì)和CHF2+基團(tuán)反應(yīng)，生成一氧化碳，二氧化碳等氣體。利用抽氣系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中可以把生成的氣體從反應(yīng)腔體內(nèi)抽出，從而完成對(duì)二氧化硅表面的刻蝕。

在刻蝕工作完成后，測(cè)量薄膜的厚度，兩次測(cè)出的厚度差就代表的是一定時(shí)間內(nèi)所刻蝕掉的薄膜的厚度，從而能夠定量判斷刻蝕的速率以及刻蝕的均勻性。

2 反應(yīng)離子刻蝕研究實(shí)驗(yàn)

2.1 對(duì)于二氧化硅的平坦化的工藝研究

采用相同的刻蝕條件，對(duì)兩種不同的材料進(jìn)行刻蝕，其速率比就是選擇比。所謂的平坦化工藝就是把整個(gè)硅片上的凸起部分全都磨成理想厚度的工藝。這就要求此種刻蝕工藝下二氧化硅同光刻膠的反應(yīng)速率是最為接近的，也就保證選擇比盡量接近1。同時(shí)，為避免耗時(shí)太多，需保證刻蝕的速率較大。下面就借助四個(gè)不同的工藝條件對(duì)刻蝕技術(shù)進(jìn)行研究。

這里設(shè)定的固定不變的條件為：CHF3=20sccm，壓強(qiáng)為5Pa，功率為400W。經(jīng)試驗(yàn)，這一設(shè)置是刻蝕二氧化硅所需要的的最佳的工藝條件，刻蝕速率和均勻性都比較好。采用添加氧氣的辦法可以有效除去刻蝕光刻膠，但不會(huì)影響二氧化硅的刻蝕速率。同時(shí)，供給的氧氣流量的不同也會(huì)導(dǎo)致光刻膠刻蝕的速率保持在一定的范圍內(nèi)，再借助作圖法方法可以求出平坦化相對(duì)最好的工藝條件。

隨著氧氣流量的增加，選擇比的數(shù)值基本上是減少的，當(dāng)流量達(dá)到了3.5sccm附近的時(shí)候，選擇比就最靠近1。所以，刻蝕時(shí)候采用的工藝條件為CHF3：O2=20：3.5sccm，壓強(qiáng)為5Pa，功率為400W 時(shí)，這時(shí)候的選擇比最接近1，刻蝕速率相對(duì)較大，其均勻性也不錯(cuò)。

2.2 對(duì)SiO2的刻蝕速率和其均勻性的研究

衡量均勻性的參數(shù)為：

這里的Vmax和Vmin是測(cè)量設(shè)備測(cè)量的薄膜厚度的最大值和最小值，Vaverage則所有測(cè)量值的平均值。這里對(duì)于SiO2的刻蝕速率以及其均勻性的分析是指在不同的工藝條件處理下，進(jìn)行了四組不同的刻蝕實(shí)驗(yàn)，分析比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，篩選出最優(yōu)的工藝條件。

表1 刻蝕速率、均勻性與相應(yīng)的工藝條件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

2.2.1 改變氣體流量對(duì)于刻蝕速率造成的影響

對(duì)比實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的結(jié)果，能夠找到刻蝕的速率和氣體流量之間的關(guān)系。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果能夠看出，伴隨著氣體流量的成倍地增加，其刻蝕速率相對(duì)的增大比較小。其原因是氣體的流量基本上處于了飽和的狀態(tài)，故伴隨著氣體流量持續(xù)地增加，能夠參與反應(yīng)的氣體的增大量有上限的，這就會(huì)制約刻蝕速率的加快。若在氣體達(dá)到飽和狀態(tài)后，持續(xù)增加相應(yīng)氣體的流量，一定會(huì)導(dǎo)致各反應(yīng)粒子相互間的碰撞幾率，更多的能量會(huì)被損耗，能量的損耗會(huì)削弱粒子對(duì)于二氧化硅的的物理轟擊作用，致使刻蝕速率降低。

2.2.2 改變溫度時(shí)刻蝕速率受到的影響

這里的溫度代表的是基片的冷卻溫度。在刻蝕反應(yīng)中，其化學(xué)反應(yīng)和物理轟擊的過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的，同時(shí)粒子相互之間的撞擊、粒子同硅片之間的撞擊都能夠產(chǎn)生熱量，這些熱量會(huì)導(dǎo)致硅片表面的溫度都不斷地升高。而溫度變得過(guò)高就會(huì)致使硅片表面受到嚴(yán)損傷。在反應(yīng)離子刻蝕過(guò)程中，它是借助冷卻系統(tǒng)，降低硅片表面的溫度，以保證刻蝕的效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)實(shí)施了多組刻蝕實(shí)驗(yàn)，在各種不同的工藝條件下分析了SiO2刻蝕的工藝。刻蝕過(guò)程的氣壓、氣體的氣流量和基片的冷卻溫度等諸多因素會(huì)都影響刻蝕速率、均勻性。其中，氣體流量是主要因素，氣壓以及基片的冷卻溫度為次要因素。

[1]張華榮.基于嵌入式Linux的移動(dòng)數(shù)據(jù)終端技術(shù)的研究[D].南京航空航天大學(xué)，2010.

[2]耿學(xué)文.化學(xué)刻蝕制備硅和氮化鎵微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能和應(yīng)用研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

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2016-9-12