金刚石薄膜的反应离子刻蚀

作者:姚翔;沈荷生;丁桂甫;朱军;张志明;张寿柏 刊名:微细加工技术 上传者:邱允华

【摘要】反应离子刻蚀是金刚石薄膜图形化的一种有效方法。研究了用O2 及与Ar的混合气体进行金刚石薄膜图形化刻蚀的主要工艺参数 (射频功率、工作气压、气体流量、反应气体成分与比例等 )对刻蚀速率和刻蚀界面形貌的影响 ,兼顾刻蚀速率和刻蚀面平滑程度等关键因素 ,建立了金刚石薄膜刻蚀的优化工艺参数 ,达到了较满意的图形效果。

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1引言金刚石薄膜是一种极具发展潜力的新型功能材料,它不仅由于极佳的硬度和耐磨性而成为一种理想的切削工具表面修饰材料,而且还具有其它多种优异的物理性质,如高弹性模量、高电阻率、高击穿场强、高热导率和低介电常数、极低线膨胀系数、宽光谱透过范围、宽禁带宽度、极高的载流子迁移率以及极高的化学稳定性等,因此在微电子、光学、声学和微机械等领域有着广泛的应用前景。随着金刚石薄膜微细加工技术、掺杂半导体薄膜的合成技术及与其它半导体材料集成技术的不断进步,金刚石薄膜的应用范围正加速拓展,目前在切削工具的超硬涂层、散热片、射线窗口[1]、温度传感器[2]、气敏传感器[3]、压力传感器[4]、紫外线或放射线传感器、声表面波器件、平面显示及纳米磁头[5]等方面均有应用。鉴于金刚石特有的物理化学性质,以此为基底的微电子器件将会具有非常重要的意义。其中能够在恶劣环境中稳定工作的多种物理或化学传感器和有抗辐射能力的空间传感器等尤其引人注意。金刚石薄膜突出的机械性能意味着有可能是微电子机械技术领域具有独特潜质的结构材料,如作为衬底材料、支撑结构、散热部件、运动机构的耐磨部件等,所有这些在微电子器件和微机械结构上的应用往往需要对金刚石薄膜进行图形化加工,然而,众所周知,金刚石薄膜化学性质极其稳定,图形化刻蚀比较困难,湿法化学刻蚀基本没有可能,干法选择性刻蚀几乎是唯一的选择。当然,选择性生长也可以实现图形化,但是精确的尺寸控制比较困难。本文系统研究了金刚石薄膜反应离子刻蚀()过程中主要工艺参数对刻蚀过程的影响,探索了各工艺参数相互影响、共同作用的规律。2实验内容采用热丝法在3英寸硅基片表面生长一层多晶金刚石薄膜,厚度412,用于刻蚀实验。在金刚石薄膜表面溅射沉积一层非晶态薄膜(1左右),再利用常规掩模光刻技术制作光刻胶掩模图形,用专用化学刻蚀液使之图形化,去掉掩模光刻胶,所得到的合金薄膜图形作为金刚石薄膜刻蚀的掩模。刻蚀所用气体是2或2与的混合物。实验是在100型系统内进行的。该系统为平板型结构:顶电极接地且内置气体流量配比阀;底电极接射频电源(13.56),上置基片;放电电极用液体循环冷却。反应气体的流量可在0100之间任意设定,反应腔内压力调节范围在026.7之间,刻蚀功率范围是0300,基片温度设定为室温。金刚石薄膜的刻蚀深度通过500型表面轮廓仪来测量,同时可测得刻蚀界面的平均粗糙度,刻蚀界面的微观形貌和刻蚀后微结构的显微尺寸通过扫描电子显微镜观测。3实验结果和分析31功率对刻蚀的影响射频功率是控制刻蚀反应的主要因素之一,直接影响刻蚀的效果。功率增大时,一方面提高了等离子体的离化率,增加了活性激发粒子的浓度,从而大大增强了化学刻蚀作用;另一方面造成直流自偏压的增大,加速离子轰击基底表面,因此也增强了物理刻蚀作用。所以,功率越大,刻蚀速率越高。实验中,在其它工艺参数不变的情况下,刻蚀速率随所施加的射频功率线性增加(如图1所示)。当射频功率为200为时,刻蚀速率达52.0/。但是,这并不意味着射频功率越大越好,实验中观察到,射频功率过高时,刻蚀后薄膜表面发黑,我们认为可能在刻蚀过程中,物理溅射作用过强,掩模材料被刻蚀,其产物沉积在薄膜表面所致。3.2气体流量对刻蚀速率的影响气体流量影响反应室内各种成分的更新速率,因此对刻蚀速率亦有明显影响。如图2所示,随着流量的增加,刻蚀速率迅速提高,在75时达到最大值43.3/,随后在较高流量下,刻蚀速率反而下降。其原因可作如下解释:在低流量情况下,刻蚀速率受活性反应粒子供应不足的限制,增大气体流量,可以提供更多的反应气体的活性粒子,同时更快

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