第43卷 增 刊2004年8月
厦门大学学报(自然科学版)
Journal of Xiamen University (Natural Science )
Vol. 43 Sup. Aug. 2004
文章编号:043820479(2004) S 2365204
ICP 刻蚀技术研究
郑志霞1, 冯勇建2, 张春权2
(1. 厦门大学机电工程系, 2. 厦门大学萨本栋微机电研究中心, 福建厦门361005)
气体流量、反应室压强、反摘要:介绍感应耦合等离子(ICP ) 的刻蚀原理, 研究以SF 6为刻蚀气体, 不同的电极功率、
应室温度、样片开槽宽度等工艺参数对Si 和SiO 2的刻蚀速率和选择比的影响. 实验结果表明, 提高RF 1功率和SF 6流量, 可以提高刻蚀速率和选择比, 提高RF 2功率虽能提高刻蚀速率但降低选择比, 反应室压强上升到1. 2Pa 时, 刻蚀速率达最大值, 刻蚀温度为零度时,Si 的刻蚀速率最大, 开槽宽度对刻蚀速率影响不大.
关键词:感应耦合等离子体; 干法刻蚀; 选择比
中图分类号:TN 405
微电子机械系统(M EMS ) 是近年来发展起来的高新技术, 它采用先进的半导体工艺技术, 把微机械结构和电路集成在一起, 具有信息采集、处理与执行的功能, 及其体积小、重量轻、功耗低的优点. M EMS 加工工艺是M EMS 技术的重点, 包括表面微机械加工工艺和体微机械加工工艺. 刻蚀技术是体加工的重要部分, 即在硅表面光刻图形后, 通过刻蚀工艺将图形转移到光刻胶下边的层上. 通常刻蚀技术分为湿法刻蚀和干法刻蚀两种. 本文研究的是干法刻蚀. 干法刻蚀使用的主要技术有反应离子刻蚀技术(RIE ) 和感应耦合等离子体刻蚀技术(ICP ) . 干法刻蚀的优点是控制精度高、大面积刻蚀均匀性好、污染少. 利用ICP 技术还可以刻蚀垂直度和光洁度都非常好的镜面, 还可以提供最稳定和最宽的工作窗口. 在ICP 工艺中, 对不同材料的刻蚀过程中需要选择合适的掩蔽膜, 并要求刻蚀气体对刻蚀材料有较高的刻蚀速率、对刻蚀材料和掩蔽膜间有较大的选择比. 对硅和二氧化硅的刻蚀通常使用SF 6作为刻蚀气体, 用CH 4、CHF 3或C 4H 8作为钝化气体可以得到高的刻蚀速率和选择比[1]. 本文通过大量的实验, 研究不同的工艺参数对硅和二氧化硅刻蚀速率、选择比的影响.
文献标识码:A
1 感应耦合等离子体刻蚀技术原理
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 、SiO 2基片发生化学反应如下:
4F 3+Si ϖSiF 4ξ
4F 3+SiO 2ϖSiF 4ξ+O 2ξ
(1) (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M EMS 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[2]. 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RF 1和RF 2, 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.
收稿日期:2004203223
作者简介:郑志霞(1972-) , 女, 在职硕士研究生.
现工作单位:莆田学院机电系.
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
图2所示.
(b ) 的实验数据是多次实验的平均值, 图2(a ) 、
从图中可见, 当RF 2功率一定时, 反应气体对Si 和SiO 2的刻蚀速率随RF 1功率的增大而加快,Si 刻蚀速率的增长几乎是线性的, 而SiO 2刻蚀速率的增长较缓慢; 当RF 2功率相对增大时, Si 的刻蚀速率在150W 时最大, 而SiO 2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RF 1、RF 2功率有不同的刻蚀速率比, 随着RF 2功率的增大, 刻蚀选择比急剧下降. RF 1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[3]. 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SiO 2进行刻蚀, 用SF 6为刻蚀气体, 刻蚀时间为5min ,RF 1功率为300W ,RF 2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,SiO 2的刻蚀速率反而显下降趋势. 流量的增加使Si 和SiO 2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.
图1 刻蚀系统原理图
Fig. 1 Principle of etching system
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 ICP 刻蚀实验
本实验使用的是北京创威纳科技有限公司生产的ICP 22B 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Dektak 3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SiO 2进行刻蚀, 用SF 6为刻蚀气体, 气体流量为35mL/min , 压力为0. 35Pa , 刻蚀时间为5min , RF 1和RF 2功率对应刻蚀结果如
P /W P /W 图2 (a ) RF 1(b ) RF 2对应刻蚀速率和选择比 Fig. 2 (a ) RF 1(b ) RF 2versus etch rate and selectivity
SF 6气体流量/(mL ・min -1) p /Pa 图3 (a ) SF 6流量(b ) p 对应刻蚀速率和选择比
Fig. 3 (a ) SF 6flow rate (b ) p versus etch rate and Selectivity
从图3(b ) 可见, 随着反应室内气体压力上升,Si 和SiO 2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SiO 2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SiO 2进行刻蚀, 用SF 6为刻蚀气体, 刻蚀时间为5min ,RF 1功率为300W ,RF 2功率为100W , 当压强为0. 5Pa , 气体流量
白. 在刻蚀过程中, 温度对SiO 2分子结合能有较大影响, 从而影响SiO 2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SiO 2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 , RF 2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SiO 2进行刻蚀, 工艺条件和结果如表1示. 从表1可知,SF 6对Si 和SiO 2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SF 6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SF 6作为刻蚀气体,C 4F 8为钝化气体, 可以得到
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SiO 2刻蚀的影响很明显. 当温度较低时, SiO 2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
开槽宽度/μm
图4 刻蚀温度对应刻蚀速率
Fig. 4 Temperature versus etch rate and selectivity
图5 开槽宽度对应刻蚀速率
Fig. 5 Opening size versus etch rate and selectivity
表1 不同气体对应刻蚀速率
Tab. 1 Different gas versus etch rate
刻蚀样片 Si Si Si SiO 2 SiO 2 SiO 2
刻蚀气体 SF 6 CHF 3 F 12 SF 6 CHF 3 F 12
RF 1/W [***********]
RF 2/W [***********]
流量/(mL ・min -1)
[1**********]5
压力/Pa
0. 350. 350. 350. 350. 350. 35
速率/(nm ・min -1)
485. 838. 563. 272. 448. 442. 5
高的深宽比. 如果要刻蚀SiO 2, 经常选择CHF 3、SF 6、O 2混合气体作为刻蚀气体, 用CHF 3为刻蚀气
艺进行更深入的研究.
致谢:在ICP 刻蚀技术研究过程中, 厦门大学萨本栋微机电研究中心提供了工艺设备, 微机电中心老师和技术人员给予很多帮助, 在此表示感谢.
体, 加入适量的SF 6有利于提高SiO 2的刻蚀速率.
3 结束语
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M EMS 加工工艺中被广泛应用. 本文主要研究用SF 6为刻蚀气体, 对Si 和SiO 2进行刻蚀, 不同的工艺条件对刻蚀速率的影响, 得出刻蚀速率、选择比与电极电压、气体流量、反应室压强、反应室温度、开槽宽度的关系. ICP 工艺在M EMS 加工工艺中是比较难的工艺, 刻蚀机的种类和性能对刻蚀产生很大影响. 同一机器不同工艺参数对刻蚀结果影响也很大, 所以有必要对ICP 工
参考文献:
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Etching Technique of Inductive Couple Plasmas
ZHEN G Zhi 2xia 1,2,FEN G Y ong 2jian 2,ZHAN G Chun 2quan 2
(1. Dept. of Mech. &Elect. Engin. ,Xiamen University , 2. Pen 2Tung Sah Micer 2Electro 2Mechanical Systems Research Center ,
Xiamen University ,Xiamen 361005,China )
Abstract :The etching principle of inductive couple plasmas was introduced in this paper. The etching was per 2
formed by SF 6. The important parameters ,such as ICP source power ,the flow of SF 6,pressure ,chuck tempera 2ture and opening sizes of the trench etc that affect the etching rate and selectivity were studied. The experimental results show that ,high etching rate and selectivity corresponded to high RF 1and high flow of SF 6,and high RF 2power corresponded to high etching rate but low selectivity. The etching rate was the highest when chuck tem 2perature was 1. 2Pa. 0℃etching temperature corresponded to the highest etching rate of Si. There were little relations between opening size of trench and etching rate.
K ey w ords :Inductive Couple Plasmas (ICP ) ;dry etch ;selectivity