石英單晶等離子體蝕刻工藝參數(shù)的優(yōu)化

摘要

本文對(duì)單晶石英局部等離子體化學(xué)刻蝕工藝的主要工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。在射頻(射頻，13.56兆赫)放電激勵(lì)下，在CF4和H2的氣體混合物中進(jìn)行蝕刻。采用田口矩陣法的科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來檢驗(yàn)腔室壓力、射頻發(fā)生器功率、施加到襯底支架的負(fù)偏壓和氫氣流速對(duì)蝕刻過程速率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果首次評(píng)估了工藝參數(shù)對(duì)刻蝕速率的影響。結(jié)果表明，工藝參數(shù)對(duì)所研究條件的影響依次為:反應(yīng)室壓力、偏壓、射頻功率、氫氣流速。

介紹

石英和熔融石英由于具有高熱阻、耐機(jī)械性和耐化學(xué)性、寬光譜范圍的透明性、低電導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，在電子和光學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。例如，它們用作固態(tài)波陀螺儀敏感元件的材料，用于制造衍射和全息光學(xué)元件、專用微波集成電路外殼、石英發(fā)生器以及各種微機(jī)電裝置。制品尺寸最小化的穩(wěn)定趨勢(shì)已經(jīng)導(dǎo)致機(jī)械加工方法已經(jīng)不能提供所需的制造精度，此外，在被加工的材料中引起不希望的應(yīng)變和缺陷。濕化學(xué)蝕刻方法不能保證所需尺寸蝕刻微顆粒的復(fù)制精度，這是由于工藝的各向同性。然而，通過使用基于低溫等離子體的等離子體化學(xué)蝕刻方法，上述問題被部分或完全解決。

本研究的目的是在主要工藝參數(shù)對(duì)蝕刻速率影響的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，優(yōu)化單晶石英的PCE參數(shù)，以提高加工速率。

實(shí)驗(yàn)

初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，工藝參數(shù)對(duì)刻蝕速率的影響是單調(diào)的，這使得基于田口矩陣法的科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成為可能。表中給出了包括24個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。在該設(shè)計(jì)中，對(duì)每組固定的工藝參數(shù)進(jìn)行一組三個(gè)實(shí)驗(yàn)，這使得能夠控制蝕刻結(jié)果的再現(xiàn)性，并且假設(shè)參數(shù)的變化對(duì)蝕刻速率的影響最小。CF4流速固定在0.91升·小時(shí)-1.在所有運(yùn)行中，蝕刻持續(xù)時(shí)間為30分鐘。四個(gè)主要技術(shù)參數(shù)，即研究了施加到襯底支架上的偏置電壓、射頻發(fā)生器的輸出功率、反應(yīng)室中的壓力和氫氣流速對(duì)石英蝕刻速率的影響。

結(jié)果和討論

通過確定電子和離子的能量分布、化學(xué)活性自由基的濃度以及到達(dá)蝕刻表面的離子的平均能量，反應(yīng)室中的壓力影響等離子體化學(xué)蝕刻過程的許多特征。當(dāng)壓力以恒定的氣體流速增加時(shí)，決定活性自由基產(chǎn)生速率的平均電子能量降低，這導(dǎo)致蝕刻速率變低。同時(shí)，蝕刻速率隨著腔室壓力的增加而降低還有另一個(gè)原因。已知[7]在氟碳等離子體中對(duì)二氧化硅的等離子體化學(xué)蝕刻伴隨著在蝕刻表面上形成類似聚合物的化合物。當(dāng)受到離子轟擊的刺激時(shí)，這些化合物與氧化物中的氧相互作用，產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)，如一氧化碳、二氧化碳、一氧化碳，這使得蝕刻速率更高?？紤]到?jīng)Q定蝕刻表面的離子轟擊強(qiáng)度的偏壓是影響石英蝕刻速率的第二重要因素，我們可以假設(shè)提高腔室壓力最大程度地降低了離子轟擊強(qiáng)度，因此也降低了蝕刻速率。

在蝕刻過程中，離子轟擊所起的作用間接受到在4.5帕壓力下蝕刻的石英表面的更強(qiáng)粗糙度的限制(圖。2)，在較低壓力(1.5帕)下蝕刻的表面粗糙度明顯較低。在所有可能性中，在增加的壓力下離子轟擊強(qiáng)度不足以刺激聚合物類化合物與來自整個(gè)蝕刻表面上的氧化物的氧的均勻相互作用，這導(dǎo)致其粗糙度增加。

總結(jié)

本文利用單晶石英板(Z-cut)中CF4 + H2氣體混合物中大線性尺寸(3 × 10 m)窗口的等離子體化學(xué)蝕刻實(shí)驗(yàn)結(jié)果，首次確定了主要工藝參數(shù)(室壓、射頻發(fā)生器功率、偏壓和氫氣流速)對(duì)蝕刻速率的影響程度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在所研究的工藝參數(shù)變化的范圍內(nèi)，關(guān)于蝕刻速率最重要的是反應(yīng)室中的壓力。下一個(gè)最重要的參數(shù)是施加到襯底上的偏置電壓。第三個(gè)位置由射頻發(fā)生器的功率占據(jù)，氫氣流速對(duì)蝕刻速率的影響最小。對(duì)所研究的所有技術(shù)因素對(duì)蝕刻速率的影響的分析結(jié)果表明，蝕刻表面的離子轟擊強(qiáng)度很可能決定了可達(dá)到的蝕刻速率。當(dāng)在增加的壓力(4.5帕)下進(jìn)行蝕刻工藝時(shí)，與在相對(duì)較低的壓力(1.5帕)下蝕刻相比，蝕刻表面的粗糙度明顯更高。

審核編輯：湯梓紅