金剛石薄膜的等離子體沉積與刻蝕—華林科納半導(dǎo)體

摘要

丁二烯、氫和氬的三元混合物在平行板等離子體反應(yīng)器中沉積了類金剛石碳膜。這些薄膜的蝕刻量為02，cf4/02等離子體放電。推導(dǎo)出了沉積氣體混合物的組成與根據(jù)蝕刻和沉積速率定義的無量綱數(shù)(EN)與沉積過程中的偏置電壓之間的一種新的線性關(guān)系。EN是沉積過程中離子通量的函數(shù)。考慮了離子沖擊電離過程與饋電氣體組成和電離勢(shì)的關(guān)系。蝕刻和沉積速率數(shù)據(jù)很好地遵循這種線性關(guān)系。這種線性關(guān)系中的cf4/02的蝕刻數(shù)據(jù)的比例常數(shù)隨組成而變化。本文還描述了硅和玻璃基板上的薄膜硬度和失效模式。

介紹

碳膜以石墨、金剛石、類金剛石碳(DLC)、類金剛石烴和非晶形碳的形式沉積。金剛石和石墨是碳的晶體等構(gòu)體。金剛石的各向同性、四面體配位結(jié)構(gòu)和石墨的層狀、二維結(jié)構(gòu)代表了碳的兩個(gè)極端結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)碳是碳的另一種同種異型，其結(jié)構(gòu)是各向同性的。非晶態(tài)碳的鍵合微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，并推測(cè)了十多年。微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)仍然是懸而未決的問題。等離子體沉積的非晶態(tài)的碳膜可能含有大量的氫，在這方面，類似于非晶態(tài)的氫化硅膜。然而，與硅不同的是，碳很容易形成雙鍵和三重鍵。因此，碳可能的鍵結(jié)構(gòu)比硅復(fù)雜得多。

本文研究了這方面的關(guān)系。 在射頻平行板等離子體反應(yīng)器中，由丁二烯、氫氣和筑氣的混合物沉積碳膜通過考慮隨Vb的變化和沉積過程中的原料氣組成，使刻蝕行為與沉積環(huán)境相關(guān)。一個(gè)新的非維數(shù)為所有發(fā)明的碳膜提供了一個(gè)很好的廣義相關(guān)性。

實(shí)驗(yàn)方法

蝕刻室由類似大小的電極（直徑0.28米）組成，與冷卻劑混合物在其中循環(huán)，以保持25°C的恒溫。待蝕刻的基底被放置在較低的動(dòng)力電極上。上電極和腔室壁都是接地的。該室與沉積室共用射頻發(fā)生器、真空管道和氣體供應(yīng)系統(tǒng)。丁二烯的三元混合物（純度為99.99%）或甲烷（99.999%純）、氬（99.999%純）和氫（99.99%純）用作反應(yīng)物氣體沉積。氣體從兩個(gè)腔室中以噴頭結(jié)構(gòu)的穿孔電極徑向向外流動(dòng)。這種流動(dòng)結(jié)構(gòu)不同于氮化鋁沉積研究中使用的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。沉積實(shí)驗(yàn)是通過保持總流量和壓力固定在6.67xm3/s(100std下進(jìn)行的。，分別為7.2Pa(55mtorr)。選擇用于DLC沉積的21種原料氣組成如圖圖所示（圖1）。原料氣成分和等離子體功率對(duì)等離子體的穩(wěn)定性影響較大。添加氬氣穩(wěn)定在任何給定的等離子體功率水平。所有薄膜均以250W的射頻功率沉積，其中等離子體在所有原料氣體成分上都是穩(wěn)定的。

結(jié)果

成長(zhǎng)環(huán)境：壓力、襯底偏置電壓、放電中物質(zhì)的性質(zhì)和濃度是決定離子能量分布和薄膜性質(zhì)的重要變量(Angusetal.，1986)。在一個(gè)固定的壓力下，平均離子能量將隨偏置電壓Vb的增加而增加，這取決于供給氣體的成分和功率水平。離子能量分布可以以不同的方式變化，這取決于偏置電壓的變化。

薄膜硬度和開裂：薄膜對(duì)硅的粘附性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于發(fā)熱玻璃。 對(duì)于在硅上厚度大于約3um,在玻璃上厚度大于約1um的膜，觀察到膜破裂和剝離。失敗其機(jī)制是底物特異性的，如圖7、8和9所示，在純丁二烯中生長(zhǎng)的薄膜。在玻璃上觀察到薄膜的屈曲，起源于基底的邊緣，并以繞組路徑傳播到中心（圖7）。相比之下，在硅上沒有觀察到屈曲。然而，對(duì)厚度小于總薄膜厚度的碳薄片進(jìn)行了分層（圖8)。

氧等離子體蝕刻:不同原料氣成分沉積的所有薄膜的純氧等離子體蝕刻率數(shù)據(jù)（見圖1），這是原料氣中不同氬濃度下氫的摩爾分?jǐn)?shù)的函數(shù)。如前所述，薄膜的氧流速為6.67X10-7m3/s(100std .cm3。在13.3Pa(100mtorr)和恒定偏置電壓230V的壓力下，將基板放置在動(dòng)力電極上。對(duì)于沉積進(jìn)料混合物中的固定的氬氣濃度，可以注意到蝕刻速率和V之間的負(fù)比例。每條曲線的蝕刻速率都達(dá)到了一個(gè)最小值，與V中的最大值大致相同（見圖3）。

CF4/O2等離子體蝕刻:在圖1中由A、B和C表示的條件下沉積的薄膜來測(cè)量CF4/02等離子體中的蝕刻率。氣體混合物中四氟化碳的百分比從0%到100%不等。 結(jié)果如圖11所示。與預(yù)期的一樣，這三種薄膜在純四氟化碳中的蝕刻率都可以忽略不計(jì)。在氧蝕刻過程中形成的碳氧化物比在四氟化碳等離子體中形成的氟碳物質(zhì)具有更高的蒸氣壓。

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結(jié)論

從丁二烯、氬和氫的三元混合物中沉積了金剛石樣碳薄膜。加入氬氣提高了等離子體的穩(wěn)定性。在三種不同組成極端情況下沉積的薄膜的紅外光譜顯示，sp3C-H鍵比sp2C-H鍵更為普遍。薄膜與硅粘附比與玻璃粘附更好，失效機(jī)理是基底特異性的。薄膜的硬度范圍從容易刮到難以刮的碳化硅刻工具。最硬的薄膜沉積在大量的氬氣下，最軟的薄膜沉積在大量的氫氣下。DLC薄膜在氧和CF4/02等離子體中的蝕刻速率是沉積條件的強(qiáng)函數(shù)。每個(gè)沉積分子的能量通量決定了沉積膜中sp3與sp2鍵的比值。將蝕刻速率、沉積速率和偏置電壓組合成一個(gè)非維數(shù)EN。推導(dǎo)了EN與原料氣組成的函數(shù)之間的線性關(guān)系。通過考慮電子沖擊電離產(chǎn)生離子的問題。分別在130W和250W處測(cè)量的蝕刻和沉積速率數(shù)據(jù)與這一關(guān)系一致。

審核編輯：符乾江