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為什么深硅刻蝕中C4F8能起到鈍化作用?

點擊量:1801 日期:2024-11-27 編輯:硅時代

RIE是一種結(jié)合了物理濺射和化學反應雙重機制的刻蝕技術(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,自由基的密度遠高于離子,它們通過高能電子與反應氣體分子的碰撞產(chǎn)生,并主導了刻蝕過程中的化學反應。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,實現(xiàn)對材料的刻蝕。在實際工藝中,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)的進一步發(fā)展和優(yōu)化。它同樣利用硅的各向異性,通過化學作用和物理作用進行刻蝕。但DRIE工藝的獨特之處在于,它采用了兩個射頻源,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行的Bosch工藝,通過對側(cè)壁的保護,實現(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氣體被通入反應室,通過電離產(chǎn)生(CF2)n長鏈聚合物。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膜,阻止氟自由基與硅的反應,從而實現(xiàn)對側(cè)壁的保護。

一、C4F8的鈍化機制

電離過程

     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長鏈聚合物所需的能量更低。這意味著在適當?shù)纳漕l功率下,C4F8可以更容易地形成(CF2)n長鏈。

聚合物形成

     (CF2)n長鏈是一種高分子聚合物,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膜。這層保護膜不僅能夠阻止氟自由基與硅的反應,還能在一定程度上減少刻蝕過程中的側(cè)向刻蝕,保持側(cè)壁的陡峭度。

保護機制

     在鈍化階段,(CF2)n長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+離子對側(cè)壁的轟擊,從而保護側(cè)壁不被刻蝕。同時,(CF2)n長鏈聚合物還能通過刻蝕階段電離出的SFx+轟擊形成CF2氣體排出,實現(xiàn)保護膜的動態(tài)更新和維持。

鈍化功率的關鍵性

     在DRIE的Bosch工藝中,鈍化階段的射頻功率是較為關鍵的參數(shù)。常規(guī)的鈍化功率(典型200W)遠低于刻蝕功率(典型2200W),兩者比達1:10以上。這是因為,過高的射頻功率會導致C4F8氣體過度電離,產(chǎn)生過多的F游離基,從而破壞(CF2)n長鏈聚合物的結(jié)構(gòu),降低其保護效果。而適當?shù)纳漕l功率則能夠確保C4F8氣體電離產(chǎn)生適量的(CF2)n長鏈聚合物,形成有效的保護膜。

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,C4F8可以作為刻蝕氣體,Ar作為載氣,通過調(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),實現(xiàn)對二氧化硅的有效刻蝕。然而,在這種刻蝕過程中,C4F8的功率條件遠大于其作為鈍化時的功率,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,是其獨特化學性質(zhì)和物理機制共同作用的結(jié)果。通過電離產(chǎn)生(CF2)n長鏈聚合物,C4F8能夠在硅槽側(cè)壁形成一層致密的保護膜,有效阻擋氟自由基與硅的反應,保護側(cè)壁不被刻蝕。同時,通過調(diào)整射頻功率等工藝參數(shù),可以實現(xiàn)對C4F8鈍化效果的精確控。


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