干法刻蝕的概念、碳硅反應(yīng)離子刻蝕以及ICP的應(yīng)用

碳化硅（SiC）作為一種高性能材料，在大功率器件、高溫器件和發(fā)光二極管等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其中，基于等離子體的干法蝕刻在SiC的圖案化及電子器件制造中起到了關(guān)鍵作用，本文將介紹干法刻蝕的概念、碳硅反應(yīng)離子刻蝕以及ICP的應(yīng)用。

1干法蝕刻概述

干法蝕刻的重要性

精確控制線寬：當(dāng)器件尺寸進(jìn)入亞微米級（<1μm）時，等離子體蝕刻因其相對各向異性的特性，能夠精確地控制線寬，成為SiC蝕刻的首選方法。

化學(xué)穩(wěn)定性挑戰(zhàn)：SiC的化學(xué)穩(wěn)定性極高（Si-C鍵合強度大），使得濕法蝕刻變得困難。濕法蝕刻通常需要在高溫或特定條件下進(jìn)行，且線寬控制難度大。因此，干法蝕刻成為解決這一問題的有效途徑。

干法蝕刻的主要方法

反應(yīng)離子蝕刻（RIE）是SiC干法蝕刻的主要方法。它通過物理濺射和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的方式去除SiC材料。

物理濺射：利用等離子體發(fā)射的高能粒子轟擊SiC表面，實現(xiàn)材料的物理去除。

化學(xué)腐蝕：等離子體中的活性化學(xué)物質(zhì)與SiC表面物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，促進(jìn)材料的化學(xué)去除。

RIE蝕刻的工藝特點

氟基等離子體：氟基RIE蝕刻可以實現(xiàn)高蝕刻速率（100~1000?/min）和高度的各向異性，適用于亞微米尺寸的圖案化。

氣體組合：六氟化硫和氧氣是研究最多的氣體組合，廣泛用于SiC蝕刻。但金屬掩模會產(chǎn)生微掩蔽問題，導(dǎo)致蝕刻表面產(chǎn)生草狀結(jié)構(gòu)。

掩模材料：為了消除金屬顆粒的影響，研究使用了基于氯和溴的化學(xué)反應(yīng)物，但這些反應(yīng)物的蝕刻速率較慢。使用CMOS工藝兼容的掩模材料（如二氧化硅和氮化硅）是未來的研究方向。

RIE蝕刻的挑戰(zhàn)與解決方案

殘留物問題：長時間蝕刻后，SiC表面容易形成殘留物，導(dǎo)致表面粗糙。這可能是由于商用RIE系統(tǒng)設(shè)計用于大尺寸硅晶片，而非小尺寸的SiC襯底所致。

解決方案：優(yōu)化RIE工藝參數(shù)，如氣體流量、蝕刻時間和等離子體功率等，以減少殘留物的生成。同時，開發(fā)適用于小尺寸SiC襯底的專用RIE系統(tǒng)也是解決這一問題的有效途徑。

反應(yīng)腔類型的影響

選擇合適的反應(yīng)腔類型和操作條件對于實現(xiàn)碳化硅蝕刻的高速率、高選擇性以及獲得垂直側(cè)壁和光滑表面至關(guān)重要。

常規(guī)反應(yīng)離子蝕刻系統(tǒng)：使用兩個平行板和射頻等離子體發(fā)生器的常規(guī)反應(yīng)離子蝕刻系統(tǒng)通常具有低等離子體密度和高能量物質(zhì)。在這種反應(yīng)腔中，對碳化硅的蝕刻主要通過物理濺射進(jìn)行，這可能導(dǎo)致蝕刻表面粗糙，并且對常用掩模材料的選擇性較低。

高密度低壓等離子體蝕刻反應(yīng)腔：為了克服常規(guī)系統(tǒng)的缺點，大多數(shù)碳化硅蝕刻采用高密度低壓等離子體蝕刻反應(yīng)腔。這種反應(yīng)腔能夠產(chǎn)生高密度的等離子體，同時在較低的壓力下操作，從而減少了離子散射，降低了各向異性的橫向蝕刻速率，有利于獲得垂直側(cè)壁和光滑表面。

2 碳化硅反應(yīng)離子蝕刻

碳化硅的反應(yīng)離子蝕刻涉及物理和化學(xué)過程的結(jié)合。等離子體放電期間產(chǎn)生的帶電粒子、光子和中性粒子等，通過物理濺射和化學(xué)蝕刻機制去除材料。主要機理取決于反應(yīng)副產(chǎn)物的活性和離子化物質(zhì)的能量。

等離子體蝕刻分類

根據(jù)原料氣體、等離子體壓力和樣品偏置電極的連接方式，等離子體蝕刻可分為四類：濺射、等離子體化學(xué)蝕刻、離子增強化學(xué)蝕刻和緩蝕劑控制的化學(xué)蝕刻。反應(yīng)離子蝕刻通常包含后兩類過程，允許在蝕刻速率和各向異性之間進(jìn)行權(quán)衡。

氧氣的影響

氧原子與不飽和氟化物反應(yīng)，生成活性氟原子，同時消耗聚合物；

氧氣使硅表面更像“氧化物”，減少蝕刻位點，降低蝕刻速率；

氧氣作為添加劑稀釋含氟氣體，進(jìn)一步降低蝕刻速率；

在碳化硅蝕刻中，隨著氧氣百分比的增加，蝕刻速率通常降低。這是因為通過碳氧反應(yīng)去除碳的效率可能低于通過碳氟反應(yīng)。在低氧氣百分比條件下，可獲得最高的3C-SiC蝕刻速率。

F/C比對蝕刻效果的影響

在硅蝕刻中，F(xiàn)/C比（氟原子與來自氣相蝕刻劑的碳原子的比例）是影響蝕刻的關(guān)鍵因素。高F/C比的氣體可獲得高蝕刻速率，而低F/C比可能導(dǎo)致聚合物沉積，形成錐形蝕刻輪廓。

碳化硅蝕刻的特殊性

與硅蝕刻相比，碳化硅蝕刻具有以下特點：

利用石墨薄片可獲得高度各向異性的蝕刻輪廓；

碳化硅本身提供碳，增強聚合物形成，防止側(cè)壁被蝕刻；

目前研究的氟化氣體均不能在碳化硅蝕刻中產(chǎn)生咬邊輪廓。

高能離子通量的影響

在純化學(xué)等離子體蝕刻工藝中，高能離子通量對蝕刻效果也有重要影響。因此，在設(shè)計和優(yōu)化碳化硅反應(yīng)離子蝕刻工藝時，需要綜合考慮氣體組成、壓力、功率和離子通量等因素。

3 碳化硅反應(yīng)離子蝕刻案例

實驗設(shè)置

樣品與電極：實驗中使用3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC樣品，置于裸露或石墨覆蓋的鋁電極上進(jìn)行反應(yīng)離子蝕刻。

氣體混合物：研究CF4/CHF3、NF3/CHF3、SF6/CHF3以及NF3/SF6等雙氟化氣體混合物對碳化硅蝕刻的影響。

蝕刻特性

蝕刻速率：3C-SiC通常具有比6H-SiC更高的蝕刻速率，部分歸因于其較高的缺陷密度；在雙氟化氣體混合物中，碳化硅的蝕刻速率通常隨CHF3百分比的增加而降低。

純NF3、CF4或SF6氣體中可獲得6H-SiC的最高蝕刻速率。

無殘留蝕刻：純CHF3可產(chǎn)生無殘留的蝕刻表面，但蝕刻速率較低；通過調(diào)整雙氟化氣體混合物的比例，可獲得既高蝕刻速率又無殘留的實驗條件。

直流偏壓：較高的直流偏壓不一定導(dǎo)致較高的蝕刻速率，蝕刻速率與所施加的直流偏壓不具有簡單的線性關(guān)系，但一定程度的偏壓是物理或化學(xué)蝕刻碳化硅所必需的。

實驗改進(jìn)

石墨覆蓋：在鋁電極和樣品之間使用石墨覆蓋，以提高碳化硅的蝕刻速率，并防止產(chǎn)生殘留物。

參數(shù)優(yōu)化：通過增大射頻功率和流速，改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)蝕刻參數(shù)，發(fā)現(xiàn)了多種使蝕刻速率大于500?/min的條件。

結(jié)論

雙氟化氣體混合物為碳化硅反應(yīng)離子蝕刻提供了多種可能性，通過調(diào)整氣體比例、直流偏壓、射頻功率和流速等參數(shù)，可獲得既高蝕刻速率又無殘留的實驗條件。

石墨覆蓋的鋁電極有助于進(jìn)一步提高蝕刻速率，并防止產(chǎn)生殘留物；碳化硅的蝕刻速率與所施加的直流偏壓不具有簡單的線性關(guān)系，但一定程度的偏壓是必需的；通過優(yōu)化實驗參數(shù)，碳化硅反應(yīng)離子蝕刻的蝕刻速率可達(dá)到相當(dāng)高的水平。

4 ICP的應(yīng)用與優(yōu)化

碳化硅（SiC）因其優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，在電子應(yīng)用、傳感器、微機電系統(tǒng)（MEMS）以及極高壓功率器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，為了實現(xiàn)這些先進(jìn)結(jié)構(gòu)，需要高效的深蝕刻技術(shù)。電感耦合等離子體（ICP）蝕刻作為一種高密度等離子體干蝕刻技術(shù)，能夠滿足碳化硅深蝕刻的需求，實現(xiàn)無殘留且高蝕刻速率的加工。

ICP蝕刻的基本原理與特點

ICP蝕刻利用高頻電磁場在反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生高密度等離子體，通過調(diào)整工藝參數(shù)（如ICP線圈功率、壓板功率、工作壓力等）來控制離子的能量和方向性，從而實現(xiàn)對碳化硅材料的高效蝕刻。與常規(guī)平行板反應(yīng)離子蝕刻相比，ICP蝕刻具有更高的離子通量和更靈活的工藝參數(shù)調(diào)整范圍。

ICP蝕刻中的溝槽效應(yīng)與挑戰(zhàn)

盡管ICP蝕刻具有諸多優(yōu)點，但在碳化硅加工過程中仍面臨溝槽效應(yīng)等挑戰(zhàn)。溝槽效應(yīng)是由于離子反射和電荷效應(yīng)導(dǎo)致的襯底表面不均勻蝕刻現(xiàn)象，可能對器件的制造和可靠性造成潛在危害。研究表明，添加氧氣氣體時會增強溝槽效應(yīng)，因為會形成鈍化層SiFxOy。

工藝參數(shù)對ICP蝕刻的影響與優(yōu)化

壓板功率：隨著壓板功率的增大，離子轟擊能量增加，有助于提高碳化硅的蝕刻速率和改善物理蝕刻機制。然而，高的壓板功率會導(dǎo)致掩模濺射增加，降低Ni/SiC的選擇性。

ICP線圈功率：增加ICP線圈功率會增強化合物的解離以及氟自由基和離子的產(chǎn)生，提高表面化學(xué)反應(yīng)機制，從而提高蝕刻速率。但同時，活性離子含量的增加會導(dǎo)致更高的離子注量轟擊襯底，降低直流偏壓和離子轟擊能量。因此，需要平衡ICP線圈功率對等離子體性能和蝕刻速率的影響。

工作壓力：離子的平均自由程和平均壽命隨著壓力的增加而下降，導(dǎo)致離子含量降低和直流偏壓增加。蝕刻速率隨壓力的增加而降低的現(xiàn)象可以通過入射離子方向性的降低來解釋。通過調(diào)整工作壓力，可以控制微溝槽蝕刻的深度和側(cè)壁坡度。

優(yōu)化工藝參數(shù)實現(xiàn)高效蝕刻

使用低的壓板功率來減少鎳的濺射量，同時使用高的ICP線圈功率和低壓力（8mTor）來確保高蝕刻速率和避免微溝槽效應(yīng)。

通過這種方法，獲得了940nm/min的蝕刻速率，Ni/SiC的選擇比在60左右，輪廓角為83°左右。