金薄膜的反应离子刻蚀工艺研究

作者:赵飞;党元兰 刊名:电子工艺技术 上传者:庞军刚

【摘要】采用反应离子刻蚀(RIE)工艺对金薄膜进行了干法刻蚀研究,得到了刻蚀速率随两极间偏压、气体压强和气体成分等因素变化的规律。试验结果表明,刻蚀速率随偏压的增加而增大;当压强增加时,刻蚀速率先增加后减小;不同种类的气体对刻蚀速率影响较大;刻蚀时间与刻蚀厚度在一定范围内成正比。另外,找到了控制刻蚀过程均匀性和选择比的方法。

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金由于具有电导率高、热导率高、化学稳定性好和耐蚀性好等优点,常作为薄膜器件和半导体器件的导电层材料,用以完成电信号的传输。导电金层图形化可以通过刻蚀技术实现,它包括湿法刻蚀和干法刻蚀两种。由于湿法刻蚀在溶液中完成,遵守各向同性的刻蚀机理,具有速度快、装置简易和操作简便等优点,但是刻蚀精度低,容易出现钻蚀现象等缺点使其不适合用于特征尺寸小于3m的微细图形加工[1]。干法刻蚀技术采用等离子体中的活性基团及离子对材料进行刻蚀,可以得到更细微的线条和更高的刻蚀精度,更适用于通信技术的快速化、高频化和小型化发展要求,已成为主流刻蚀技术[2]。目前国内外常用的干法刻蚀技术有:反应离子刻蚀(RIE)、感应耦合等离子体(ICP)[3]和磁增强反应离子刻蚀(MERIE)[4]技术等。反应离子刻蚀是一种较为成熟的干法刻蚀手段,它的优点是具有良好的各向异性刻蚀性能,而且工艺过程灵活可控,只需通过选择合理的刻蚀气体、气压和功率便可实现刻蚀,是一种图形加工的有效方法。其原理是:阴阳两极间引入强电场,使气体分子被击穿电离,产生由分子、原子和离子组成的等离子体,等离子体中的粒子与基片表面发生相互作用,完成物理或化学刻蚀。在这个过程中包括的主要反应有:刻蚀气体进入反应腔,在电场作用下气体分子发生分解和电离,形成等离子体,其中正离子在电场作用下向基片运动,以较高的能量轰击基片表面,形成各向异性的刻蚀作用。另一部分离子则吸附在基片表面,与基片发生各向同性的刻蚀反应,随后反应副产物解吸附后在真空泵作用下被抽除。由此可见,反应离子刻蚀过程是物理轰击和化学反应共同作用的结果。反应离子刻蚀用于Au膜刻蚀的报道不多,本文采用反应离子刻蚀技术,对金薄膜进行干法刻蚀试验,研究了刻蚀工艺中偏压、压强、气体成分和时间等参数对刻蚀速率的影响,并从物理机制上予以分析,同时分析了控制刻蚀均匀性和选择比的有效方法。1试验采用磁控溅射工艺,在清洗后的玻璃基片上沉积厚度为500nm厚的Au薄膜,膜厚均匀性控制在5%以内。使用光刻胶旋涂工艺在Au薄膜上匀胶,作为Au层刻蚀时的保护层,通过曝光和显影等工序获得刻蚀掩膜。对制备的基片进行干法刻蚀,其装置如图1所示,在密闭的真空腔室内抽取高真空度,一般抽至10-5Pa,以消除腔壁内吸附的残余气体分子和水分子等的影响。上基板为阳极,与外壳互连接地,下极板为阴极,接入负偏压,基片放置在阴极上。反应气体从上部通入,经过充分的反应后连同被刻物被位于腔体下部的真空泵管路抽走。由于反应中基片存在温升,为避免缺陷,同时提高刻蚀效率,常需要刻蚀过程中在阴极底部通入循环冷却水对基片进行冷却。刻蚀时,偏压分别选择300V、350V、400V和500V,刻蚀气体使用Ar气、O2气以及它们的混合气体,气体流量设定为20mL/min,反应腔室内的工作气压为0.45Pa5.00Pa,刻蚀时间为5min20min,反应过程中的实验条件见表1。表1刻蚀试验条件极间偏压U/V气体种类气体流量q/(mLmin-1)压强P/Pa时间t/min300500Ar,O2200.455.00520Au薄膜和光刻胶等的厚度采用台阶仪(AmbiosXP-2)测试,刻蚀厚度通过刻蚀前后的厚度差得到,刻蚀速率通过刻蚀厚度和刻蚀时间计算得到,刻蚀后的表面形貌通过显微镜观测。图1反应离子刻蚀设备图2结果与讨论通过试验得到,刻蚀厚度受刻蚀偏压、压强、气体成分和刻蚀时间等因素的影响较为明显,通过对刻蚀速率的表征可以找到各因素的影响趋势。另外,刻蚀均匀性和选择比也可以通过参数的调整达到理想的效果。2.1偏压对刻蚀速率的影响为确定两极

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