深寬比刻蝕的研究進(jìn)展

深寬比刻蝕的研究進(jìn)展

深度比率（毫米）是指槽深和槽寬之間的比率（對(duì)于圓形孔，就是孔深與孔的比率）。隨著集成工藝和微(納)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,器件本身的要求深寬比越來越大,比如微光學(xué)元件要有高的深寬比才能得到好的衍射效率。高深寬比的微結(jié)構(gòu)技術(shù)(Highaspectratiomicro-structuretechnology,簡稱HARMST)是制作先進(jìn)微器件的關(guān)鍵技術(shù),廣泛使用于微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)、信息存儲(chǔ)、光通訊、大功率器件和極紫外及軟X射線光刻等諸多領(lǐng)域。目前壓模、電鑄和刻蝕是制作深高寬比器件的主要方法。聚合物材料的深寬比結(jié)構(gòu)常用壓模的方法來制作,電鑄則用于MEMS器件中金屬材料的制作,而干法刻蝕以其良好的各向異性,高刻蝕速率,精確的深度和線寬控制以及與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的兼容性等一系列優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于Si和常用的半導(dǎo)體、光電材料的深寬比結(jié)構(gòu)的制作中。深高寬比刻蝕所形成器件的應(yīng)用主要有兩個(gè)重要的方向,即MOEMS及微納光電器件。表1給出了常用的材料及其應(yīng)用。本文對(duì)深高寬比的干法刻蝕工藝中涉及的常見效應(yīng)、關(guān)鍵技術(shù)和檢測等方面進(jìn)行了綜述。1深高寬比結(jié)構(gòu)機(jī)理反應(yīng)離子刻蝕是制作深高寬比器件主要手段,與低高寬比(AR<3∶1)器件的刻蝕不同,刻蝕作用的反應(yīng)離子通量與抑止側(cè)壁刻蝕的通量的比率很重要,高各項(xiàng)異性依靠反應(yīng)離子在槽底表面的刻蝕和活性離子在側(cè)壁的抑止作用相結(jié)合以保證獲得深高寬比結(jié)構(gòu)。隨著槽或孔刻蝕深度的增加,等離子體中的反應(yīng)離子在其中的傳輸過程中接觸刻蝕表面越來越困難,刻蝕表面反應(yīng)的生成物也越來越難以從孔或槽里出來。所以與低深高寬比的刻蝕相比較,一般會(huì)出現(xiàn)刻蝕滯后(RIELag)、刻蝕停止(Etchingstop)、側(cè)壁彎曲(localbowing)和開槽效應(yīng)(notchingeffect)等現(xiàn)象。1.1深寬比的影響在反應(yīng)離子刻蝕過程中,隨著深寬比的增加,刻蝕速率降低。這樣就會(huì)造成在同樣的刻蝕條件和時(shí)間內(nèi),寬槽的刻蝕深度要大于窄槽的刻蝕深度(如圖1所示),這一效應(yīng)我們稱為RIELag。產(chǎn)生這一效應(yīng)的原因是由于深寬比造成:①刻蝕離子向刻蝕表面和逸出刻蝕表面的生產(chǎn)物等的輸運(yùn)困難;②離子和中性離子的遮蔽;③電場在刻蝕表面的分布變化;④表面擴(kuò)散的困難。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生影響了刻蝕進(jìn)程,影響了理想的刻蝕深度的獲得。因此,建立刻蝕速率與深寬比的關(guān)系曲線及擬和方程,對(duì)于準(zhǔn)確控制刻蝕過程極為重要。有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明:低的壓力可以減小它的影響程度,同時(shí)高能量的離子也可以減小它的作用。1.2其他碳氟聚合物在許多反應(yīng)離子刻蝕的過程中,所選等離子體氣體多為氟或其他鹵素的化合物。從等離子體區(qū)域引出大量的氟離子(F+),高能的氟離子易與基材發(fā)生反應(yīng),從而生成易揮發(fā)的化合物,隨后由真空系統(tǒng)抽除。但與此同時(shí),還伴隨著其他一些副反應(yīng)如一些碳氟聚合物,此類化合物不易揮發(fā),也不會(huì)與反應(yīng)離子反應(yīng),若不及時(shí)去除,就會(huì)沉積深孔或槽的底部形成一層難以刻蝕的聚合物薄膜,阻止刻蝕過程的進(jìn)行,甚至導(dǎo)致刻蝕中止。目前,還沒有什么好的方法來防止此類聚合物的產(chǎn)生,不過可以在刻蝕過程中用高能和方向性好的的其他離子(如Ar+)來轟擊孔的底部,以去除在底部生成的難以刻蝕的聚合物。同時(shí)亦可以在反應(yīng)過程當(dāng)中摻入一定量比例的氧氣(O2)或CO等氧化劑,其目的是讓氧原子與碳氟聚合物發(fā)生反應(yīng),生成易揮發(fā)的碳和氟的化合物,減少底部的碳氟聚合物的沉積,以達(dá)到消除或減小Etchingstop的發(fā)生。1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析側(cè)壁彎曲經(jīng)常發(fā)生在緊貼掩模的基片側(cè)壁上(如圖2所示)。這一形象是由于:①掩模側(cè)壁低角度的離子散射;②等離子鞘層內(nèi)由于中性離子造成的離子彎曲;③射入槽內(nèi)的離子衍射引起的離子散射;④側(cè)壁或掩模的放電產(chǎn)生的電場導(dǎo)致離子偏轉(zhuǎn)等幾方面因素共同作用產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)表明:只有當(dāng)刻蝕孔或槽的深度超過了一定極限時(shí),才會(huì)產(chǎn)生側(cè)壁彎曲。同時(shí)無論孔徑或槽寬怎么變化,對(duì)于確定的實(shí)驗(yàn)參數(shù),這一極限也是確定的。一般來說過大的射頻功率不會(huì)明顯增加刻蝕速率,因此用確定保持刻蝕速率恒定的最小功率,再增加功率就會(huì)改變孔的側(cè)面形狀,來消除側(cè)壁彎曲現(xiàn)象。改變實(shí)驗(yàn)裝置的偏壓來達(dá)到實(shí)驗(yàn)的最佳參數(shù)是常用的方法。1.4“et”側(cè)壁的形成機(jī)理Notchingeffect現(xiàn)象發(fā)生在刻蝕材料(如Si)與絕緣層(如SiO2)交界面。當(dāng)刻蝕過程進(jìn)行到Si的底部時(shí),反應(yīng)的氣體由于對(duì)絕緣層無明顯的刻蝕作用,而對(duì)底部Si側(cè)壁仍有一個(gè)很大的刻蝕速率,從而形成如圖3那樣形狀的刻蝕側(cè)面輪廓,即形成notchingeffect現(xiàn)象。它主要是由于在交界面處離子軌跡扭曲了電場分布,同時(shí)產(chǎn)生的notchingeffect又由于電荷在絕緣層的積累更促進(jìn)開槽的展開。為了得到深高寬比器件的良好的側(cè)面輪廓,對(duì)于開槽效應(yīng)的刻蝕過程應(yīng)該加以限制?？梢杂瞄g隔的氧化物薄膜來阻止開槽效應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生。除了上述效應(yīng)之外,還有側(cè)壁凹凸不平、再沉積、底切、槽底開溝、掩?？堂娴痊F(xiàn)象,這些都會(huì)影響深高寬比器件的獲得。2深高寬比的刻蝕過程掩模制作、側(cè)壁鈍化(SidewallPassivation)是深高寬比器件的制作過程中的關(guān)鍵技術(shù)。金屬、SiO2和光刻膠是刻蝕過程中的常用的掩模材料?；c掩模的刻蝕速率的比值即選擇比(Selectivity)在深高寬比的刻蝕過程中是一個(gè)很重要的參數(shù),因?yàn)榭涛g深高寬比器件時(shí)所需刻蝕基材的速率相對(duì)掩膜或者光刻膠要大的多,這樣才能形成深高寬比。同時(shí)在選擇掩膜時(shí),還要注意它們對(duì)刻蝕過程的影響,如是否會(huì)形成刻蝕停止、側(cè)壁彎曲等等現(xiàn)象。反應(yīng)離子在縱向刻蝕底面的過程中,對(duì)側(cè)壁也有一定的刻蝕速率,這無疑會(huì)增加槽寬,因此經(jīng)常在側(cè)壁上沉積一層聚合物鈍化膜,亦防止對(duì)側(cè)壁的刻蝕,保證側(cè)壁的表面質(zhì)量,這一過程就是側(cè)壁鈍化。對(duì)于側(cè)壁鈍化選擇的材料必須對(duì)刻蝕氣體的刻蝕速率要非常小,同時(shí)須用方向性好的高能離子將在側(cè)壁鈍化過程中沉積在槽底的鈍化膜除去,以保證下一步刻蝕過程的繼續(xù)進(jìn)行。德國Kassel大學(xué)發(fā)明的Gaschopping就是這樣的技術(shù)。3掃描靈敏度分析隨著深高寬比刻蝕技術(shù)的發(fā)展,用顯微鏡進(jìn)行深高寬比的檢測亞微米結(jié)構(gòu)時(shí),由于沒有足夠的景深和分辨率,很難檢測到深高寬比結(jié)構(gòu)的底部,同時(shí)在工業(yè)化生產(chǎn)中掃描的速度也逐漸顯得重要。因?yàn)閷?duì)于深高寬比大于3時(shí),掃描電子顯微鏡(SEM)掃描的速度達(dá)到1200cm2/h的時(shí)候靈敏度要小于100nm,顯然這個(gè)要求與工業(yè)上的應(yīng)用還有很大的距離。當(dāng)用傳統(tǒng)的方法來觀察HAR時(shí)會(huì)產(chǎn)生種種信號(hào)損失,如圖4所示。比較深的結(jié)構(gòu)會(huì)消弱到達(dá)結(jié)構(gòu)底部的能量效率,陡直的側(cè)壁會(huì)散射信號(hào)產(chǎn)生噪音,側(cè)壁的瑕疵散射出來的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生噪聲,底層和掩模表面反射出的噪聲也會(huì)干擾測量的正常進(jìn)行。人們已經(jīng)嘗試了很多進(jìn)行新技術(shù)包括全息的方法,多層柱的電子束的方法,聲學(xué)的方法和X射線成像技術(shù)進(jìn)行HARi,但是到目前還沒有生產(chǎn)出在工業(yè)生產(chǎn)中可以接受的檢測設(shè)備。4提高深高寬比結(jié)構(gòu)刻蝕過程的難度隨著MOEMS、集成光學(xué)等在諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,深高寬比器件顯得非常重要,它的制作工藝成為目前國際上一流大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室研究的熱點(diǎn)之一。近幾年,國內(nèi)的一些研究小