氧等离子体刻蚀CVD金刚石膜的影响机理

作者:潘鑫;马志斌;李国伟;曹为;王传新;付秋明 刊名:强激光与粒子束 上传者:黄利英

【摘要】采用电子回旋共振(ECR)等离子体在不同的磁场位形和工作气压下刻蚀化学气相沉积(CVD)金刚石膜,运用双探针和离子灵敏探针法对等离子体进行了诊断,研究了等离子体参数对刻蚀效果的影响。结果表明:磁场由发散场向收敛场转变时,离子温度、电子温度和等离子体密度都随之增大,刻蚀效果逐渐增强;当工作气压由低气压向高气压变化时,等离子体参数先增大后减小,CVD金刚石膜表面粗糙度降低程度也出现了相同的趋势。

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由于具有高硬度、耐磨损、抗腐蚀、优异的导热性和绝缘性等优良特性,金刚石开始成为许多工业应用中一种十分具有吸引力的材料。自1962年Eversole运用化学气相沉积(CVD)方法人工合成金刚石后[1],CVD金刚石膜开始受到人们普遍关注,其物理化学性能与天然金刚石相近,因此被广泛应用于微电子、机械、航空等领域[2]。虽然CVD金刚石膜性能杰出,但其表面取向、晶粒尺寸各异、厚度不均以及高粗糙度等缺点,使得金刚石膜在工业上的应用不尽人意。为了拓展CVD金刚石膜在工业上的应用广度和深度,需要对其进行抛光处理。常见的抛光方法有机械抛光[3]、热化学抛光[4]、激光抛光[5-6]、化学辅助机械抛光[7]和等离子体刻蚀[8-10]等。然而,高化学惰性和机械强度等这些期望得到的特性使得金刚石膜的机械抛光和化学抛光变得困难而复杂,常常需要很长时间才能达到期望的效果。因此一种高效的CVD金刚石表面抛光技术是十分必要的。等离子体刻蚀是一种新型的CVD金刚石膜抛光方法,由于其能降低对金刚石膜的污染,能对非平面表面进行原位刻蚀,并且操作温度低而受到青睐。等离子体刻蚀工艺的核心问题是在提高刻蚀速率的同时,又能保证刻蚀过程具有较高的均匀性,较高的各向异性以及较低的辐照损伤[11]。与其他微波等离子体相比,ECR微波放电产生的等离子体由于密度高、电离度高、工作气压低、各向异性等特点,很好地解决了这两个核心问题,可以实现低温、高效无污染的表面处理,受到了人们的广泛关注[12-14]。采用ECR等离子体法对CVD金刚石膜进行刻蚀时,刻蚀效果受到工艺参数的影响,研究不同工艺参数的影响因素对于获得理想的刻蚀工艺并实现该技术的工业应用具有十分重要的意义。本文研究了磁场位形和工作气压这两个影响因素,运用扫描电镜(SEM)获得了刻蚀前后样品表面形貌,对比了刻蚀效果;同时运用双探针和离子灵敏探针对等离子体进行了诊断,分析了刻蚀机理。Fig.1Magneticconfiguration图1磁场位形1实验装置与方法本文在实验室自主设计的ECR等离子体源[15]上进行刻蚀实验,分别在三种不同磁场位形和不同工作气压下对CVD金刚石膜进行了刻蚀。通过改变线圈中的电流,我们获得了图1中三种刻蚀所用磁场位形,表1为刻蚀工艺参数。刻蚀所用金刚石膜为掺氮金刚石膜。为保证金刚石样品表面形貌的一致性,刻蚀所用的1~3号样品和4~6号样品分别由两块表面形貌均匀的金刚石厚片切割而成。工作气体采用氧气,经激发后产生包含大量电子、氧正离子和氧中性基团的氧等离子体。074001-2表1刻蚀工艺参数Table1Etchingprocessparameterssamplecodeetchingpower/Wmagnetoelectricheatingvoltage/Vetchingtime/hmagneticconfigurationworkingpressure/Pa1800200410.0022800200420.0023800200430.0024800200430.0025800200430.0306800200430.1002结果与讨论2.1磁场位形对刻蚀的影响在目前采用的ECR等离子体刻蚀CVD金刚石膜的工艺研究中,大多数研究者采用发散场,利用发散场中离子较大的纵横比垂直轰击金刚石膜表面,从而达到刻蚀抛光的效果,然而发散场对离子缺乏足够的约束作用,且离子能量和密度均较低,使得刻蚀效率较低。为提高离子能量和刻蚀效率,部分研究者利用等离子体鞘层电场的作用,在衬底上施加负偏压以吸引更多离子垂直轰击金刚石膜,从而提高刻蚀抛光

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