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為什么深硅刻蝕中C4F8能起到鈍化作用?
點(diǎn)擊量:1779 日期:2024-11-27 編輯:硅時(shí)代
RIE是一種結(jié)合了物理濺射和化學(xué)反應(yīng)雙重機(jī)制的刻蝕技術(shù)。在等離子體中,離子和中性自由基共同作用于材料表面。其中,自由基的密度遠(yuǎn)高于離子,它們通過(guò)高能電子與反應(yīng)氣體分子的碰撞產(chǎn)生,并主導(dǎo)了刻蝕過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)。SF6、CF4、CHF3、C2F6和C4F8等含氟量高的氟化物均可作為刻蝕氣體,電離產(chǎn)生F和含F(xiàn)的自由基,實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的刻蝕。在實(shí)際工藝中,惰性氣體Ar常被加入,以提供穩(wěn)定的電子,維持輝光放電。
DRIE即基于氟基氣體的高深寬比硅刻蝕技術(shù),是RIE技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和優(yōu)化。它同樣利用硅的各向異性,通過(guò)化學(xué)作用和物理作用進(jìn)行刻蝕。但DRIE工藝的獨(dú)特之處在于,它采用了兩個(gè)射頻源,將等離子的產(chǎn)生和自偏壓的產(chǎn)生分離,有效避免了RIE中射頻功率和等離子密度之間的矛盾。此外,DRIE還引入了鈍化和刻蝕交替進(jìn)行的Bosch工藝,通過(guò)對(duì)側(cè)壁的保護(hù),實(shí)現(xiàn)了可控的側(cè)向刻蝕,從而能夠制作出陡峭或其他傾斜角度的側(cè)壁。
在DRIE的Bosch工藝中,在鈍化階段,C4F8氣體被通入反應(yīng)室,通過(guò)電離產(chǎn)生(CF2)n長(zhǎng)鏈聚合物。這種氟化碳類高分子聚合物,類似特氟龍膜,具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和疏水性,能夠沉積在硅槽側(cè)壁,形成一層薄薄的保護(hù)膜,阻止氟自由基與硅的反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)壁的保護(hù)。
一、C4F8的鈍化機(jī)制
電離過(guò)程
C4F8氣體電離出大量F游離基需要不少于4.88eV的能量,而電離出CF2離子,形成(CF2)n長(zhǎng)鏈聚合物所需的能量更低。這意味著在適當(dāng)?shù)纳漕l功率下,C4F8可以更容易地形成(CF2)n長(zhǎng)鏈。
聚合物形成
(CF2)n長(zhǎng)鏈?zhǔn)且环N高分子聚合物,其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,能夠在硅槽側(cè)壁形成一層致密的保護(hù)膜。這層保護(hù)膜不僅能夠阻止氟自由基與硅的反應(yīng),還能在一定程度上減少刻蝕過(guò)程中的側(cè)向刻蝕,保持側(cè)壁的陡峭度。
保護(hù)機(jī)制
在鈍化階段,(CF2)n長(zhǎng)鏈聚合物沉積在硅槽側(cè)壁后,能夠有效阻擋后續(xù)刻蝕階段中電離出的SFx+離子對(duì)側(cè)壁的轟擊,從而保護(hù)側(cè)壁不被刻蝕。同時(shí),(CF2)n長(zhǎng)鏈聚合物還能通過(guò)刻蝕階段電離出的SFx+轟擊形成CF2氣體排出,實(shí)現(xiàn)保護(hù)膜的動(dòng)態(tài)更新和維持。
鈍化功率的關(guān)鍵性
在DRIE的Bosch工藝中,鈍化階段的射頻功率是較為關(guān)鍵的參數(shù)。常規(guī)的鈍化功率(典型200W)遠(yuǎn)低于刻蝕功率(典型2200W),兩者比達(dá)1:10以上。這是因?yàn)椋^(guò)高的射頻功率會(huì)導(dǎo)致C4F8氣體過(guò)度電離,產(chǎn)生過(guò)多的F游離基,從而破壞(CF2)n長(zhǎng)鏈聚合物的結(jié)構(gòu),降低其保護(hù)效果。而適當(dāng)?shù)纳漕l功率則能夠確保C4F8氣體電離產(chǎn)生適量的(CF2)n長(zhǎng)鏈聚合物,形成有效的保護(hù)膜。
二、C4F8的刻蝕與鈍化雙重性
C4F8不僅能在DRIE的Bosch工藝中作為鈍化氣體,還能在特定條件下作為刻蝕氣體使用。例如,在刻蝕二氧化硅時(shí),C4F8可以作為刻蝕氣體,Ar作為載氣,通過(guò)調(diào)整上下電極的射頻功率(如上電極射頻功率為1200W,下電極射頻功率為500W),實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化硅的有效刻蝕。然而,在這種刻蝕過(guò)程中,C4F8的功率條件遠(yuǎn)大于其作為鈍化時(shí)的功率,這體現(xiàn)了C4F8在刻蝕與鈍化之間的微妙平衡和雙重性。
C4F8在深硅刻蝕中的鈍化作用,是其獨(dú)特化學(xué)性質(zhì)和物理機(jī)制共同作用的結(jié)果。通過(guò)電離產(chǎn)生(CF2)n長(zhǎng)鏈聚合物,C4F8能夠在硅槽側(cè)壁形成一層致密的保護(hù)膜,有效阻擋氟自由基與硅的反應(yīng),保護(hù)側(cè)壁不被刻蝕。同時(shí),通過(guò)調(diào)整射頻功率等工藝參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)C4F8鈍化效果的精確控。
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