崔海波，梁 庭，熊繼軍，喻蘭芳,王心心，王濤龍

(中北大學，儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,電子測試技術國防科技重點實驗室,山西太原 030051)

?

碳化硅ICP刻蝕速率及表面形貌研究

崔海波，梁 庭，熊繼軍，喻蘭芳,王心心，王濤龍

(中北大學，儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,電子測試技術國防科技重點實驗室,山西太原 030051)

SiC材料由于其高的禁帶寬度(2.3～3.4 eV),10倍于Si的擊穿電壓而越來越受到重視，尤其是在高溫環(huán)境中，是制作高溫器件的理想材料。但同時由于SiC的高硬度，化學性質(zhì)穩(wěn)定，使得SiC的加工也變的較為困難。刻蝕作為加工SiC的理想手段運用也越來越廣泛，文中就此展開研究，詳細研究ICP刻蝕過程中各參數(shù)對其刻蝕速率及表面形貌的影響，對加工SiC具有一定指導意義。

ICP 刻蝕速率；刻蝕形貌；碳化硅

0 引言

近年來，如何在高溫惡劣環(huán)境中進行壓力測量越來越受到人們的重視，而目前應用最廣泛的硅基壓力傳感器由于其自身材料的限制，而無法作為高溫壓力傳感器的制作材料。于是人們把目光投向了最有希望的耐高溫材料碳化硅。碳化硅相對于硅而言，其禁帶寬度是硅的3倍，擊穿電壓是硅的10倍，同時具有耐高溫、耐高壓和抗輻射的特點。所以，以碳化硅為材料的器件更為適合在高溫惡劣環(huán)境中應用。但是，由于碳化硅具有很高的硬度和化學穩(wěn)定性，使得碳化硅的加工也變得十分困難，目前，對碳化硅進行體加工的方法包括：電化學腐蝕、激光刻蝕、超聲加工、熔鹽沖刷或等離子體刻蝕[1]。其中，等離子刻蝕能夠快速可靠地對碳化硅材料進行加工，同時具有選擇性和各向異性，形成光滑、干凈的表面，并且對碳化硅襯底的損傷降低到最低程度和制作高的深寬比結構，因此ICP刻蝕成為加工碳化硅材料的最佳選擇。

1 實驗原理

感應耦合等離子刻蝕(Inductively coupled plasma,ICP)是通過向一個被電感線圈環(huán)繞的絕緣舟容器上施加射頻電壓來產(chǎn)生等離子體[2]。ICP刻蝕系統(tǒng)一般都有2個獨立的13.56 MHz的射頻電源RF1和RF2，上電極RF1給反應腔室外面線圈加壓，用于電離刻蝕氣體，交變的電磁場又使得等離子體中電子路徑改變，增加等離子體濃度；下電極RF2提供偏置電壓，使等離子體能夠垂直作用于基片，與基片物質(zhì)反應，達到刻蝕目的，工作原理圖如圖1所示。

圖1 ICP刻蝕原理圖

電離出的等離子體不僅要能夠和碳化硅反應，而且生成的產(chǎn)物在刻蝕溫度和氣壓下能夠具有揮發(fā)性，這樣才能使表面避免產(chǎn)生殘留物，使得刻蝕能夠持續(xù)進行。從目前研究來看，刻蝕碳化硅最有效的是氟類物質(zhì)[3]，其反應機理如下:

SF6→SF5+F-

Si+xF→ SiFxx≤1～4;

C+xF→ CFxx≤1～2;

本實驗中所用的ICP刻蝕設備是GSE200PLUS型刻蝕機，刻蝕用到的氣體有SF6、CF4、C4F8和O2。

2 實驗過程

碳化硅在刻蝕前，需要做一層掩膜層，查資料所得，常用的掩膜有光刻膠、金屬Ni[4]。

實驗過程中控制的參數(shù)主要有腔室壓力、RF1電源、RF2電源功率、氣體流量和刻蝕時間等。通過改變其中某一個變量，來討論工藝參數(shù)對于刻蝕速率和刻蝕形貌的影響。

3 結果與分析

3.1 掩膜的選擇

實驗中，采用了同一條件對光刻膠和Ni掩膜的碳化硅進行刻蝕。用掃描電鏡對結果進行對比分析。設定腔室壓力為10 mT,上電極功率1 000 W，下電極功率600 W，SF6流量為100 sccm，刻蝕10 min。結果如圖2所示。

圖2中(a)～(b)分別在同一條件，不同掩膜下對比光刻膠掩膜和Ni掩膜的不同。對比發(fā)現(xiàn)，在這個條件下，光刻膠做的掩膜已經(jīng)被刻蝕完了，碳化硅表面也刻蝕了一部分，但是已經(jīng)無法測出臺階了。而在Ni掩膜的碳化硅形貌基本保持完好，刻蝕深度達到了2.92 μm，刻蝕速率290 nm/min，側壁傾角約85°。為了驗證光刻膠是否完全無法作為刻蝕碳化硅的掩膜，減少了刻蝕條件中的上下電極功率，同時縮短刻蝕時間為5 min，得到了如圖3所示的刻蝕結果。

圖3 低功率下的光刻膠掩膜刻蝕

從圖3中可以明顯的看出，在減少功率和刻蝕時間的情況下，光刻膠也能作為刻蝕碳硅的掩膜，這時候刻蝕了437 nm的碳化硅，刻蝕速率達到了130 nm/min，刻蝕角度為124°左右，角度不太垂直。當在碳化硅淺刻蝕時，并不需要非要用Ni作為掩膜，因為鍍Ni增加了工藝復雜性。如果刻蝕深度不超過1μm，則也可以用光刻膠作為掩膜，這樣可以縮短工藝周期。

3.2 刻蝕氣體

刻蝕常用的氣體主要有SF6、CF4、C4F8和O2等，其中SF6、CF4是刻蝕碳化硅的主要氣體，在刻蝕時?；烊氩糠諳2來控制速率和形貌[5]，而C4F8用于碳化硅深刻蝕時作為鈍化氣體。實驗中，分別用SF6和CF4在相同條件下對碳化硅進行刻蝕，刻蝕時二者流量都為80 sccm，觀察刻蝕后的表面形貌如圖4所示。

從圖4中的比較中可以看出，SF6和CF4在同樣條件下對碳化硅刻蝕時，形貌區(qū)別并不是很大，相對來說，SF6刻蝕的側壁更加垂直點。但是刻蝕速率SF6達到了162 nm/min就比CF4140 nm/min快很多。這與理論是相符合的。在碳化硅刻蝕過程中，SF6電離出F離子，F(xiàn)離子分別和Si、C發(fā)生反應，生成氣體或者易揮發(fā)的物質(zhì)。而CF4電離出F離子后，剩下的CFx和最后F、C生成的物質(zhì)相同，使得在碳化硅界面發(fā)生的化學反應向左偏移[6]，從而刻蝕速率相對于SF6有所降低。所以在以后的刻蝕實驗中，還是主要選擇SF6作為刻蝕碳化硅的主要氣體。在之后的實驗中往SF6氣體中加入了部分O2，發(fā)現(xiàn)加入后，刻蝕形貌并沒有多大的變化，但是刻蝕速率增加許多，這是由于部分氧離子能夠跟C反應，刻蝕C的F離子被釋放出來，使得刻蝕速率增加。但是O2所占刻蝕氣體的比例不能超過太大，最好不要超過30%，否則，就會降低主要刻蝕氣體SF6的濃度，反而使得刻蝕速率下降[7]。

在SF6氣體中加入部分C4F8，氣體總流量還是80 sccm，其中SF660 sccm，C4F820sccm，其他工藝條件不變，刻蝕10 min，得到圖5刻蝕圖，從圖5中可以明顯看出與圖4的側壁不同，此時的側壁已經(jīng)成一個曲面，完全沒有了角度。這是由于C4F8電離出的物質(zhì)CFX會與SiC發(fā)生反應生成一種(CF2)n的高分子聚合物，這種聚合物沉積在側壁和底面，底面的聚合物在F離子的轟擊下，又會被分解掉，側壁由于F離子轟擊的力度比較小[8]，則會被留下來當做側壁的保護層。

在進行碳化硅深刻蝕的時候，由于隨著刻蝕深度的加深，刻蝕氣體對側壁的腐蝕越大，導致刻蝕底部的形貌如圖5，而且這種趨勢會隨著刻蝕深度的加深越來越明顯。因此，進行碳化硅深刻蝕的時候，分為刻蝕和鈍化兩步，交替進行,這樣使得刻蝕百μm以上的深度時，都能保持比較好的垂直度。其流程圖如圖6所示。

圖6 深刻蝕工藝流程

綜上所述，刻蝕氣體的選擇對刻蝕速率和形貌有很大的影響，其中刻蝕速率主要隨著氣體濃度呈拋物線增加，有一個最佳氣體濃度。而氣體的種類，則根據(jù)刻蝕的具體需要來定，淺刻蝕碳化硅主要用SF6加少量的O2，在深刻蝕時，則選用C4F8和SF6交替進行[9]。

3.3 RF1與RF2功率

RF1主要用于電離氣體產(chǎn)生離子。圖7中3個圖分別是在氣體流量和RF2一定的情況下，RF1=600 W、1 000 W、1 500 W 3個不同功率的SEM圖，圖中可以看出隨著功率的增大，相同時間下刻蝕的深度也增大。圖7(a)、圖7(b)的側壁形貌保持的很好，但圖7(c)的形貌側壁就看出有明顯的刻蝕。這是因為RF1功率越大，則單位時間內(nèi)電離的氣體越多，離子濃度增大，刻蝕速率也會相應增大。但是如果RF1功率過大，反應離子的高濃度則會降低刻蝕的各向異性[10]。主要是增大刻蝕功率會增加氟離子濃度，過高的氟離子濃度造成對側壁的刻蝕加快，從而導致刻蝕的各向異性降低，使得底部形貌弧度逐漸變大?？涛g速率分別為：185 nm/min，241 nm/min，370 nm/min。

圖7 不同RF1功率下的SEM圖

RF2電源用于給等離子體一個偏置電壓，從而為等離子提供能量，能夠使氟離子作用于基片，所以RF2的功率大小直接影響到等離子體作用到基片的能量。一般來說，RF2功率不宜太大。圖8分別代表RF2=100 W、300 W、600 W的刻蝕結果。從刻蝕結果來看，3個刻蝕功率下的垂直度都挺好，只是在600 W的時候出現(xiàn)了“sub-trench”形貌。這是由于在RF2功率增大時，離子獲得的能量變大，對基片刻蝕程度也增強，刻蝕速率會隨著增大，但是當功率過大時，刻蝕離子會在基片表面發(fā)生反射，加強了對側壁底部刻蝕[11]，出現(xiàn)圖8(c)中的刻蝕現(xiàn)象。

圖8 不同RF2功率下的SEM圖

RF2的功率過大會對基片造成很大的損傷，所以RF2的功率最好不要超過600 W，遠小于RF1的功率。

4 結論

ICP刻蝕是目前微納加工中非常重要的一步工藝，刻蝕的優(yōu)良直接影響到器件的品質(zhì)。而影響刻蝕的質(zhì)量因素，除了本論文中的幾個條件之外，還有其他很多因素，如:溫度、氣體純度、真空度等，是一個多條件綜合的結果。本文單獨討論其中某一條件對刻蝕影響，是為在以后實驗中綜合考慮各個條件下刻蝕結果的提供參考?？涛g不僅僅需要理論的支持，更需要做更多的實踐，做到理論與實踐相結合。

[1] 碳化硅-半導體材料.儀表技術與傳感器,1971(5).

[2] 楊振文.國外碳化硅器件的歐姆接觸概況.儀表技術與傳感器,1973(4).

[3] 張鑒，黃慶安.ICP刻蝕技術與模型.微納電子技術，2005(6):288-296.

[4] 鄭志霞，馮勇建，張春權.ICP刻蝕技術研究.廈門大學學報(自然科學版)，2004，43(8):365-368.

[5] FREDERILO S,HIBERX C,FRITSCHI P,et al.Silicon sacrificial dry etching (SSLD E)for free-standing RF MEMS Architectures Micro Electro Mechanical System,2003(10):19-23.

[6] 張冬至,胡國清,陳昌偉.MEMS高溫壓力傳感器研究與進展.儀表技術與傳感器,2009(11).

[7] 陳兢.ICP體硅深刻蝕中側壁形貌控制的研究.中國機械工程，2005，24(2):200-203.

[8] 劉之景.等離子體刻蝕加工中的器件損傷.儀表技術與傳感器,1999(5).

[9] 陳剛，李哲洋，陳征，等.4H-SiC MESFET工藝中的金屬掩模研究.第十五屆全國化合物半導體材料、微波器件和光電器件學術會議，廣州，2008.

[10] JANSEN H,DE BOER M,ELWENSPOEK M.The Black Silicon Method.Vi.High Aspect Ratio Trench Etching For Mems.

[11] 張力江，幺錦強，周俊，等.ICP腔體壓力對直流偏壓的影響.半導體技術，2010(8):794-796.

Study on Etch Rate and Surface Morphology of Silicon Carbide by ICP

CUI Hai-bo,LIANG Ting,XIONG Ji-jun,YU Lan-fang,WANG Xin-xin,WANG Tao-long

(Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Due to its high band width (2.3～3.4eV) of SiC,the breakdown voltage is 10 times of the breakdown voltage of Si and has been paid more and more attention,especially in the high temperature environment,and it is the ideal material for manufacturing high temperature devices. But at the same time,due to the high hardness of SiC and stable chemical property,the processing of SiC has become more difficult. As an ideal means,etching processing is more and more widely used,the research was launched in this paper. The detailed study of the parameters affecting the ICP etching process for the etch rate and surface morphology was launched,which has certain guiding significance to the processing of SiC.

ICP etch rate;etching morphology;SiC

國家自然科學基金資助項目(51075375)；國家重點基礎研究發(fā)展計劃(“973”計劃)資助項目(2010CB334703)

2014-11-03 2015-06-11

TN212

A

1002-1841(2015)09-0001-03

崔海波(1988—)，碩士研究生，主要從事高溫壓力傳感器工藝研究。E-mail：15525466836@163.com 梁庭(1979—)，副教授，碩士生導師，主要從事高溫壓力傳感器研究。E-mail:liangtingnuc@nuc.com