關于二氧化硅的干法刻蝕工藝研究

王宏

關于二氧化硅的干法刻蝕工藝研究

王宏

（中國振華集團永光電子有限公司 貴州貴陽 550000）

本文利用反應離子刻蝕技術進行了多組刻蝕實驗，重點研究了不同的工藝條件下對二氧化硅的刻蝕速率、均勻性性能、選擇比等參數。通過對結果的比較和分析，本文得到了相對而言最佳工藝條件。

反應離子刻蝕；選擇比；最佳工藝條件

1 反應離子刻蝕技術的基本原理和具體研究方法

1.1 基本原理

反應離子刻蝕技術包含了物理和化學變化的刻蝕工藝，故它既有離子濺射刻蝕技術的特點又有等離子化學刻蝕的特點，其分辨率高，反應速率快。刻蝕的過程是：首先射頻輝光放電，然后反應的氣體被擊穿，最后生成了等離子體。由于等離子體之中一般包含了正、負離；長、短壽命的游離基以及可移動的自由電子，故等離子體易和刻蝕樣品的表面發生一些化學反應。同時，離子受到電場力的作用會射向樣品的表面，物理轟擊這些表面。在物理變化和化學變的作用下，樣品的刻蝕工作得以完成。

1.2 研究的基本方法

選取硅片當作襯底的材料，借助CVD的方法在襯底產一層二氧化硅。在沉積的工藝條件基本相同的前提下，改變沉積所需的時間來調整二氧化硅膜的厚度，以保證后續研究是可行的。在上層部位的二氧化硅薄膜基本生長好后，硅片表面膜厚不一定是在均勻分布的，故有必要測量原始的厚度，進而確保膜厚數據的準確性。這里采用的測量儀器是橢偏儀，既能測量出薄膜的厚度和折射率，又具靈敏度高、精度好、操作方便等諸多優點，同時測量不具有破壞性。

在確定完薄膜的厚度后，才能利用干法刻蝕二氧化硅。這里需要注意的是刻蝕過程中不能將膜完全刻蝕，因為完全的刻蝕會使測得的結果反應二氧化硅和襯底硅的綜合的反應速率，出現偏差。整個反應中，以CHF3作為刻蝕氣體，將CHF3通入到反應室之中，在輝光放電中發生的具體的化學反應為：

CHF3+e-→CHF2++F（游離基）+2e-

生成的F原子在到達二氧化硅膜表面后，發生的進一步反應為：

SO2+4F→SiF4↑+O2↑

在高壓作用下，二氧化硅表面分解出的氧離子會和CHF2+基團反應，生成一氧化碳，二氧化碳等氣體。利用抽氣系統，實驗中可以把生成的氣體從反應腔體內抽出，從而完成對二氧化硅表面的刻蝕。

在刻蝕工作完成后，測量薄膜的厚度，兩次測出的厚度差就代表的是一定時間內所刻蝕掉的薄膜的厚度，從而能夠定量判斷刻蝕的速率以及刻蝕的均勻性。

2 反應離子刻蝕研究實驗

2.1 對于二氧化硅的平坦化的工藝研究

采用相同的刻蝕條件，對兩種不同的材料進行刻蝕，其速率比就是選擇比。所謂的平坦化工藝就是把整個硅片上的凸起部分全都磨成理想厚度的工藝。這就要求此種刻蝕工藝下二氧化硅同光刻膠的反應速率是最為接近的，也就保證選擇比盡量接近1。同時，為避免耗時太多，需保證刻蝕的速率較大。下面就借助四個不同的工藝條件對刻蝕技術進行研究。

這里設定的固定不變的條件為：CHF3=20sccm，壓強為5Pa，功率為400W。經試驗，這一設置是刻蝕二氧化硅所需要的的最佳的工藝條件，刻蝕速率和均勻性都比較好。采用添加氧氣的辦法可以有效除去刻蝕光刻膠，但不會影響二氧化硅的刻蝕速率。同時，供給的氧氣流量的不同也會導致光刻膠刻蝕的速率保持在一定的范圍內，再借助作圖法方法可以求出平坦化相對最好的工藝條件。

隨著氧氣流量的增加，選擇比的數值基本上是減少的，當流量達到了3.5sccm附近的時候，選擇比就最靠近1。所以，刻蝕時候采用的工藝條件為CHF3：O2=20：3.5sccm，壓強為5Pa，功率為400W 時，這時候的選擇比最接近1，刻蝕速率相對較大，其均勻性也不錯。

2.2 對SiO2的刻蝕速率和其均勻性的研究

衡量均勻性的參數為：

這里的Vmax和Vmin是測量設備測量的薄膜厚度的最大值和最小值，Vaverage則所有測量值的平均值。這里對于SiO2的刻蝕速率以及其均勻性的分析是指在不同的工藝條件處理下，進行了四組不同的刻蝕實驗，分析比較實驗結果，篩選出最優的工藝條件。

表1 刻蝕速率、均勻性與相應的工藝條件的實驗數據表

2.2.1 改變氣體流量對于刻蝕速率造成的影響

對比實驗1和實驗2的結果，能夠找到刻蝕的速率和氣體流量之間的關系。從實驗的結果能夠看出，伴隨著氣體流量的成倍地增加，其刻蝕速率相對的增大比較小。其原因是氣體的流量基本上處于了飽和的狀態，故伴隨著氣體流量持續地增加，能夠參與反應的氣體的增大量有上限的，這就會制約刻蝕速率的加快。若在氣體達到飽和狀態后，持續增加相應氣體的流量，一定會導致各反應粒子相互間的碰撞幾率，更多的能量會被損耗，能量的損耗會削弱粒子對于二氧化硅的的物理轟擊作用，致使刻蝕速率降低。

2.2.2 改變溫度時刻蝕速率受到的影響

這里的溫度代表的是基片的冷卻溫度。在刻蝕反應中，其化學反應和物理轟擊的過程是同時進行的，同時粒子相互之間的撞擊、粒子同硅片之間的撞擊都能夠產生熱量，這些熱量會導致硅片表面的溫度都不斷地升高。而溫度變得過高就會致使硅片表面受到嚴損傷。在反應離子刻蝕過程中，它是借助冷卻系統，降低硅片表面的溫度，以保證刻蝕的效果。

3 結束語

本文利用反應離子刻蝕機實施了多組刻蝕實驗，在各種不同的工藝條件下分析了SiO2刻蝕的工藝。刻蝕過程的氣壓、氣體的氣流量和基片的冷卻溫度等諸多因素會都影響刻蝕速率、均勻性。其中，氣體流量是主要因素，氣壓以及基片的冷卻溫度為次要因素。

[1]張華榮.基于嵌入式Linux的移動數據終端技術的研究[D].南京航空航天大學，2010.

[2]耿學文.化學刻蝕制備硅和氮化鎵微納結構的光學性能和應用研究[D].哈爾濱工業大學，2012.

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2016-9-12