干法刻蝕現(xiàn)已成為微小高深寬比結(jié)構(gòu)加工與微細(xì)圖形制作的重要手段。提出了一種新的干法刻蝕技術(shù)-多層等離子體蝕刻, 充分利用腔體的空間布局, 布置多層電極, 并采用分層送氣裝置輸送放電氣體, 實(shí)現(xiàn)多層同時(shí)進(jìn)行刻蝕, 可成倍提高產(chǎn)能。采用該技術(shù)刻蝕光阻為例, 從空間與時(shí)間兩個(gè)角度分析了工藝參數(shù)對刻蝕速率與均勻性的影響規(guī)律與作用機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 極板間距為50/ 55/ 60 mm( 由下向上) , 工作壓力為40 Pa, R[ O2 : Ar] 為1/2, RF 功率為600W 時(shí), 整爐次刻蝕速率均值為14.395 nm/ min, 均勻性為9.8%, 此時(shí)工藝最為合理。

　　隨著結(jié)構(gòu)/ 零件與集成電路光電子元器件向微型化和高精密化方向發(fā)展, 對加工工藝的要求也越來越高。尤其是針對高深寬比結(jié)構(gòu)的加工, 刻蝕技術(shù)作為一種有效的關(guān)鍵手段, 倍受國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者與研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。其中, 相對于濕法刻蝕的毛細(xì)現(xiàn)象與各向同性機(jī)理， 干法刻蝕利用等離子體中的活性離子與離子團(tuán)對材料進(jìn)行蝕刻, 工藝參數(shù)控制較為靈活, 可實(shí)現(xiàn)線條的微細(xì)化加工, 并可獲得更高的刻蝕精度, 成為微細(xì)圖形加工與轉(zhuǎn)換的重要手段, 已做為微小結(jié)構(gòu)/ 零件加工的重要手段。

　　隨著干法刻蝕技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟, 現(xiàn)主要有反應(yīng)離子刻蝕(RIE) 、感應(yīng)耦合等離子體(ICP) 和磁增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕(MERIE) 技術(shù)等 。目前, 干法刻蝕的工藝研究僅局限于單層刻蝕機(jī)結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)的影響, 例如氣體種類與氣流量、RF 功率、磁場強(qiáng)度等。但在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中,為了追求產(chǎn)能和生產(chǎn)效率, 單層的刻蝕機(jī)已經(jīng)不能滿足需求。鑒于此, 真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為提出了多層等離子體蝕刻(MPE) 技術(shù), 充分合理地利用腔體的空間布局, 設(shè)置多層電極( 三層或三層以上) 結(jié)構(gòu), 提高了基片的裝載量。并以Ar/O2作為刻蝕氣體, 以光阻為蝕刻對象,從空間和時(shí)間兩個(gè)角度研究了工藝參數(shù)對刻蝕速率與均勻性的影響, 并從物理機(jī)制上做出分析, 探尋最優(yōu)化的工藝方案, 為實(shí)際生產(chǎn)提供有力保障。

　　MPE 技術(shù)

　　該技術(shù)利用了腔體的空間布局, 布置多層電極( 三層或三層以上) , 采用分層送氣裝置, 將放電氣體分別輸送到各個(gè)反應(yīng)空間內(nèi), 且將氣盤直接作為上電極板, 每層的氣盤通過電源匹配器, 同時(shí)與電源相連, 下電極板直接接地。通過氣體流量控制器選擇某種氣體或者混合氣體進(jìn)入真空室內(nèi), 施加RF 功率后, 每層之間形成單獨(dú)的放電回路, 同時(shí)產(chǎn)生等離子體, 在電勢差的作用下, 活性離子及離子團(tuán)實(shí)現(xiàn)對基片的刻蝕, 原理如圖1 所示。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要包括兩個(gè)方面: 一是在充分利用腔體空間的基礎(chǔ)上,成倍地提高了產(chǎn)能; 二是以往RIE 技術(shù), 反應(yīng)氣體由單一管道直接通入真空室, 致使氣體在整個(gè)腔室內(nèi)分布不均勻, 該技術(shù)采用分層送氣裝置輸送至各反應(yīng)電極板之間, 極大地提高了刻蝕均勻性。

圖1 MPE 技術(shù)示意圖

　　本文提出了一種新型的干法刻蝕技術(shù)-MPE技術(shù)。該技術(shù)利用腔體的空間布局, 布置多層電極(三層或三層以上) , 采用分層送氣裝置, 將放電氣體分別輸送到各個(gè)反應(yīng)腔體內(nèi), 且將氣盤直接作為上電極板, 多層氣盤通過電源匹配器, 同時(shí)與電源相連, 下電極板直接接地, 通電后實(shí)現(xiàn)對基片的蝕刻。

　　該技術(shù)在原有單層刻蝕機(jī)的基礎(chǔ)上, 成倍增加了基片的裝載量, 尤其在實(shí)際生產(chǎn)中, 大大提高了產(chǎn)能,具有寬廣的應(yīng)用前景。

　　本文以GaN 材料為基片, 光阻為蝕刻對象, Ar/O2 為刻蝕氣體, 從空間( 極板間距, RF 功率, 工作壓力與Ar 氣流量) 和時(shí)間( 刻蝕時(shí)間) 兩個(gè)角度, 分析了不同工藝參數(shù)下, 刻蝕速率與均勻性的變化趨勢與規(guī)律, 得出最優(yōu)工藝條件為: 極板間距為50/ 55/ 60mm( 由下向上) ; 工作壓力為40 Pa; O2/Ar 比為1/ 2;RF 功率為600W; 持續(xù)刻蝕時(shí)間為20 min。此時(shí), 根據(jù)公式(1) 可得, 整爐次刻蝕速率可達(dá)14.395 nm/min, 均勻性為9.8%。