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1、微机械加工技术,深反应离子刻蚀技术 DRIE,内容,等离子形成基础干法刻蚀各向异性深反应离子刻蚀(DRIE),等离子产生,无外加电压包含中性原子的气体加应用电压自由电子被加速能量=场 L原子的弹性碰撞增加电压和场能量电子离化或激发气体原子激发的气体原子回到阳极产生可见的光子(例如,辉光),阴极(负电压),阳极(地),中性气体原子(Ar)压力:5 mtorr平均自由程:1 cm,间距:15 cm,离化气体原子贡献另一个电子雪崩碰撞气体击穿可维持?,Ar,e-,E,Ar+,e-,e-,causes:,E,DC 等离子体(辉光放电),雪崩放电当 e-有足够的能量离化气体原子时产生不是自维持的必须产生
2、电子以维持放电能量离子轰击阴极表面产生二次电子当有足够电子产生时，可维持放电过程因为电场集中在产生电子的阴极处，因此不需高电压,辉光放电暗区,阴极暗区大量能量气体离子移向阴极在阴极产生的二次电子加速离开阴极靠近阴极部分暗区中的净电贺数为正产生大电场(电压跌落很大)无辉光，原因是 e-能量很高，主要离化气体原子很少激发电子,什么是“干法”刻蚀?,在湿法腐蚀液中,腐蚀反应剂来自与液体中在 干法 腐蚀中,腐蚀反应剂来自于气体或气相源 来自于气体的原子或离子是腐蚀暴露出的薄膜的反应物,腐蚀速率,腐蚀剂的产生若没有腐蚀剂的产生，就没有腐蚀扩散到表面腐蚀剂必须到表面才能和膜反应或腐蚀运动到表面的方式将影响
3、到选择比,过刻,和均匀性吸附和表面扩散能产生方向选择(isotropic or anisotropic)反应与温度关系密切(Arrhenius relationship)明显影响腐蚀速率脱附若反应样品不挥发，能停止腐蚀扩散到气体由于未反应腐蚀剂的稀释，导致非均匀腐蚀,气相干法腐蚀,反应气体表面气体吸收,溶解,以及反应XeF2 腐蚀的特点选择性非常高腐蚀速率快各向同性,XeF2,Adsorb,Xe,F,F,RF 等离子干法刻蚀,RF:频率(典型 13.56 MHz)电子在辉光区的震荡需要足够的能量以引起离化气体离子太重，不能响应高频电场的变化,CF4,F+e-,F+e-,F+e-,F+e-,An
4、ode,Cathode,-Vbias,e-+CF4 CF3+F+2e-,干法刻蚀工艺的类型,断面特征取决于:能量压力(平均自由程)偏压方向性 晶向,干法刻蚀工艺的类型,腐蚀类型能量压力气体/蒸汽 腐蚀无高-各向同性,化学,选择性好(760-1 torr)等离子腐蚀10 100 Watts中-各向同性,化学,有选择(100 torr)反应离子腐蚀100 Watts 低-方向性,物理&化学,有选择(10-100 mtorr)溅射腐蚀剂 1001000 Watts低-方向性,物理,低选择性(10 mtorr),干法腐蚀:气体混合,Chlorofluorocarbons(CFCs)的消除,材料传统气体
5、新气体SiEtching:Cl2,BCl3SiCl4Cl2,BCl3Cl2Passivation:C4F8,CCl4,CHF3 HBr/O2,HBr/Cl2O2,Br2SF6,SF6SiO2CF4,C2F6,C3F8CCl3F2,CHF3,/CF4,CHF3,/O2,CH3CHF2Si3N4CHF3,CCl2F2CF4/O2,CF4/H2,CH3CHF2AlCl2,BCl3,SiCl4HBr,Cl2,BCl3,SiCl4WSF6/Cl2/CCl4SF6(only),NF3/Cl2 OrganicsO2,O2+CF4 CO,CO2,H2O,HF,基于F气体和等离子体的Si&SiO2 的干法刻蚀,
6、是ICs&MEMS的主要刻蚀气体CF4 不腐蚀 Si，但 F2 会腐蚀 Si 形成 SiF2 和 SiF4等离子的作用是产生能穿透SiF2类型的表面的F,干法刻蚀的各向异性,若腐蚀是纯化学的，则是各向同性的离子轰击以损伤表面可以提高腐蚀速率产生断裂键正离子加速到达阴极(-V),SiO2 不被腐蚀，除轰击外(垂直)导致不同的腐蚀形貌(侧边),干法刻蚀的各向异性,当 H2 加入到 CF4中,Si的腐蚀速率降到零当偏压增加,腐蚀速率也增加结合这两种效应，可以实现非常好的各向异性腐蚀,不挥发残留物的淀积,CF4-H2 等离子会在样品表面淀积含碳残留物(不挥发)称为 POLYMERIZATIONSiO2
7、 表面形成的残留比Si 表面少一些碳和SiO2中的 O2 反应形成可挥发的 CO 和 CO2 控制Si 和 SiO2 相对腐蚀速率可有效控制选择性对每种腐蚀腔来说，正确的设置还是得依赖经验,尽管 CF4 只腐蚀 Si,当更多的 Si 表面暴露时,更多的 F 被消耗掉，导致 F/C 减小，腐蚀减慢加入 H2 消耗 F 易导致 polymerization加入 O2 消耗 C 导致腐蚀,控制 Polymerization(F/C 比),F/C-比高，腐蚀速率高F/C-比越低，越容易形成polymerization气体可以控制,时间复用深腐蚀,每步的相对长度影响侧墙的斜率,开始,各向同性 SF6 腐蚀加各向异性轰击,SF6 再腐蚀,各向同性Polymer形成（C4F8）,DRIE 扇形过刻,扇形过刻 深度 50 300 nm高度 1.0 m,高选择比,腐蚀速率Up to 3 m/min,DRIE 掩膜材料,选择性Silicon/Photoresist:70:1Silicon/SiO2:150:1,干法刻蚀:掩膜材料,光刻胶较好Oxides 和 某些metals 也不错,掩膜材料SF6CHF3CF4O2N2Resist+/-+/-+/-+CFx+-Si-+-+SiO2+/-+/-+Si3N4+/-+/-+Al/Al2O3+W-+Au+Ti-+,
