摘要

本文對單晶石英局部等離子體化學(xué)刻蝕工藝的主要工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。在射頻(射頻，13.56兆赫)放電激勵下，在CF4和H2的氣體混合物中進行蝕刻。采用田口矩陣法的科學(xué)實驗設(shè)計來檢驗腔室壓力、射頻發(fā)生器功率、施加到襯底支架的負偏壓和氫氣流速對蝕刻過程速率的影響。實驗結(jié)果首次評估了工藝參數(shù)對刻蝕速率的影響。結(jié)果表明，工藝參數(shù)對所研究條件的影響依次為:反應(yīng)室壓力、偏壓、射頻功率、氫氣流速。

介紹

石英和熔融石英由于具有高熱阻、耐機械性和耐化學(xué)性、寬光譜范圍的透明性、低電導(dǎo)率等優(yōu)點，在電子和光學(xué)的各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。例如，它們用作固態(tài)波陀螺儀敏感元件的材料，用于制造衍射和全息光學(xué)元件、專用微波集成電路外殼、石英發(fā)生器以及各種微機電裝置。制品尺寸最小化的穩(wěn)定趨勢已經(jīng)導(dǎo)致機械加工方法已經(jīng)不能提供所需的制造精度，此外，在被加工的材料中引起不希望的應(yīng)變和缺陷。濕化學(xué)蝕刻方法不能保證所需尺寸蝕刻微顆粒的復(fù)制精度，這是由于工藝的各向同性。然而，通過使用基于低溫等離子體的等離子體化學(xué)蝕刻方法，上述問題被部分或完全解決。

本研究的目的是在主要工藝參數(shù)對蝕刻速率影響的實驗研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，優(yōu)化單晶石英的PCE參數(shù)，以提高加工速率。

實驗

初步實驗結(jié)果表明，工藝參數(shù)對刻蝕速率的影響是單調(diào)的，這使得基于田口矩陣法的科學(xué)實驗設(shè)計成為可能。表中給出了包括24個實驗的設(shè)計。在該設(shè)計中，對每組固定的工藝參數(shù)進行一組三個實驗，這使得能夠控制蝕刻結(jié)果的再現(xiàn)性，并且假設(shè)參數(shù)的變化對蝕刻速率的影響最小。CF4流速固定在0.91升·小時-1.在所有運行中，蝕刻持續(xù)時間為30分鐘。四個主要技術(shù)參數(shù)，即研究了施加到襯底支架上的偏置電壓、射頻發(fā)生器的輸出功率、反應(yīng)室中的壓力和氫氣流速對石英蝕刻速率的影響。

結(jié)果和討論

通過確定電子和離子的能量分布、化學(xué)活性自由基的濃度以及到達蝕刻表面的離子的平均能量，反應(yīng)室中的壓力影響等離子體化學(xué)蝕刻過程的許多特征。當(dāng)壓力以恒定的氣體流速增加時，決定活性自由基產(chǎn)生速率的平均電子能量降低，這導(dǎo)致蝕刻速率變低。同時，蝕刻速率隨著腔室壓力的增加而降低還有另一個原因。已知[7]在氟碳等離子體中對二氧化硅的等離子體化學(xué)蝕刻伴隨著在蝕刻表面上形成類似聚合物的化合物。當(dāng)受到離子轟擊的刺激時，這些化合物與氧化物中的氧相互作用，產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)，如一氧化碳、二氧化碳、一氧化碳，這使得蝕刻速率更高?？紤]到?jīng)Q定蝕刻表面的離子轟擊強度的偏壓是影響石英蝕刻速率的第二重要因素，我們可以假設(shè)提高腔室壓力最大程度地降低了離子轟擊強度，因此也降低了蝕刻速率。

在蝕刻過程中，離子轟擊所起的作用間接受到在4.5帕壓力下蝕刻的石英表面的更強粗糙度的限制(圖。2)，在較低壓力(1.5帕)下蝕刻的表面粗糙度明顯較低。在所有可能性中，在增加的壓力下離子轟擊強度不足以刺激聚合物類化合物與來自整個蝕刻表面上的氧化物的氧的均勻相互作用，這導(dǎo)致其粗糙度增加。

總結(jié)

本文利用單晶石英板(Z-cut)中CF4 + H2氣體混合物中大線性尺寸(3 × 10 m)窗口的等離子體化學(xué)蝕刻實驗結(jié)果，首次確定了主要工藝參數(shù)(室壓、射頻發(fā)生器功率、偏壓和氫氣流速)對蝕刻速率的影響程度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在所研究的工藝參數(shù)變化的范圍內(nèi)，關(guān)于蝕刻速率最重要的是反應(yīng)室中的壓力。下一個最重要的參數(shù)是施加到襯底上的偏置電壓。第三個位置由射頻發(fā)生器的功率占據(jù)，氫氣流速對蝕刻速率的影響最小。對所研究的所有技術(shù)因素對蝕刻速率的影響的分析結(jié)果表明，蝕刻表面的離子轟擊強度很可能決定了可達到的蝕刻速率。當(dāng)在增加的壓力(4.5帕)下進行蝕刻工藝時，與在相對較低的壓力(1.5帕)下蝕刻相比，蝕刻表面的粗糙度明顯更高。

審核編輯：湯梓紅