金刚石刻蚀技术研究/冯明海等 ·101· 金刚石刻蚀技术研究 冯明海,方亮,刘高斌,侯爱国,张勇,王万录 (重庆大学应用物理系,重庆400044) 摘要金刚石因其卓越的物理和化学性能一直蕴涵着巨大的应用潜力,但其极高的硬度和优异的化学稳定性 使其难以被加工成型,因此,在作为新型电子功能材料走向实际应用过程中,金刚石的微细加工技术非常关键。对近 年来国内外采用等离子体刻蚀技术加工金刚石的基本工艺特点和最新进展进行了较系统的比较和总结,重点分析了 功率、气体种类、气体流量、偏压、掺杂类型、离子注入、掩膜等因素对刻蚀过程的影响,以期为工艺参数的进一步优化 提供参考。 关键词金刚石微细加工刻蚀等离子体 Research on Etching Technologies of Diamond FENG Minghai, FANG Liang, LIU Gaobin, HOU Aiguo, ZHANG Yong, WANG Wanlu Abstract Due to the excellent physical and chemical properties, diamond has magnitude application potential But its extremely hardness and chemical inertness make it difficult to be fabricated. Hence, as a new functional materi al, diamonds micro-fabrication technology is crucial for practical-applications. In this paper, the characteristics of etch ing diamond by various plasma etching technologies both at home and abroad are compared and summarized. The effect of the technique factors(such as power, gas category, gas flow, bias, doping type, ions implantation, mask), on the etch- ing process has been mainly analyzed, so as to provide a reference or guide for further optimization of the technical pa- 0引言 金刚石微细加工主要有选择性生长和刻蚀两大类,刻蚀主 要有湿法和干法两大类1。选择性生长是先将耐高温材料 金刚石具有许多卓越的物理化学性质,如质量轻强度高、沉积在衬底上,再利用光刻技术刻蚀出所需的图形,然后进行金 耐磨损、抗腐蚀、导热性、绝缘性好将其推向实际应用一直是人刚石膜的生长,最后将掩膜去掉刻蚀法主要是利用干法刻蚀技 们研究的重点和努力的方向。目前已经实现的应用领域有切削术在金刚石膜上直接刻出所需图形M1),由于金刚石薄膜生 工具的超硬涂层扬声器振膜涂层激光器和集成电路散热片、长条件的特殊性生长区域的选择性是由初始表面的晶核形成 X射线窗口材料和掩膜版支撑材料、光学元件涂层等这些应用能力决定的没有边际掩膜的约束随着薄膜厚度的增加,其侧 实际上仍只是应用了金刚石的优异机械性能和物理性能1-3 向生长在所难免,因此显著降低了该工艺加工成型微结构的尺 作为电子功能材料,金刚石具有高电阻率高杨氏模量高寸精度,同时还有厚膜生长可能产生的非活化区域稀疏晶核持 击穿场强、低介电常数极低线膨胀系数、极小的摩擦系数宽光续生长所造成的结构粘连,所以,选择性生长的效果并不尽如人 谱透过范围、宽禁带宽度、极高的载流子迁移率等优异的光、机、 意m。关于刻蚀,主要有激光刻蚀微加工和反应离子刻蚀,激 电性能,可广泛用作特定功能器件的主体部件,如压阻式传光刻蚀微加工与一般的干法刻蚀不同多采用激光束扫描方式 进行,除了需要进一步改进细线条加工能力之外,加工效率也亟 感器明、温度传感器、微制动器微光器件201而且,金待提高。与之相比,反应离子刻蚀(RIE)具有更多的优势],在 刚石的耐高温、耐腐蚀性能使得金刚石微电子机械系统当代电子工业中,它作为一种传统的技术,常用于金刚石的刻 MEMS)器件可在恶劣环境下正常工作22,如由金刚石薄膜蚀(21-2),本文对金刚石刻蚀加工方法的基本工艺特点作了较 制造的压力传感器件的工作温度已经达到680℃m,这是其它系统的比较和总结,以期为工艺参数的进一步优化提供参考和 电子材料所不可替代的。但是,已经研制成功的金刚石膜依据。 只有一些简单的微结构,如悬臂梁叼等,主要的原因之一就是1刻蚀的基本原理 金刚石难以被加工2 由于金刚石的化学性质稳定,难以进行湿法刻蚀8,所以 国家自然科学基金(50345021);重庆市自然科学重点基金(CSTC2005BA4016) 方亮:联系人 E-mail: fangliang-cql@ yahoo con
金 刚石刻蚀技术研 究／冯明海等 金 刚 石刻 蚀 技 术研 究 冯明海，方 亮，刘高斌，侯爱国，张 勇，匡 (重庆大学应用物理 系 ，重庆 400044) 摘 要 金 刚石 因其卓越 的物理 和化学性能一直蕴 涵着 巨大的应 用潜 力，但 其极 高的硬 度 和优 异的化 学稳 定性 使 其难 以被加 工成型 ，因此，在作为新 型电子功能材料走 向实际应 用过 程 中，金刚 石的微 细加工技 术非 常关键 。对近 年 来国 内外采用等 离子体刻蚀技术加 工金 刚石的基本 工艺特 点和最新进展 进行 了较 系统的 比较 和 总结 ，重点分析 了 功 率、气体种类 、气体流量 、偏 压、掺 杂类 型、离子 注入 、掩膜等 因素对刻蚀过 程的影 响 ，以期为 工艺参数 的进一 步优化 提供参考。 关键词 金刚石 微细加工 刻蚀 等离子体 Research on EtchingTechnologiesofDiam ond FENGMinghai，FANGLiang，LIUGaobin，HOUAiguo，ZHANGYong，匝 叵 (Departm entofApplied Physics，ChongqingUniversity，Chongqing 400044) Abstract DuetOtheexcellentphysicalandchemicalproperties，diamondhasmagnitudeapplicationpotentia1． ButitsextremelyhardnessandchemicalinertnessmakeitdifficulttObefabricated．Hence，asanew functionalmateri— a1．diam ond'smicro-fabricationtechnologyiscrucialforpracticalapplications．Inthispaper，thecharacteristicsofetch— ing diam ondbyvariousplasma etching technologiesbothathom eandabroadarecomparedandsumm arized ． Theeffect ofthetechniquefactors(suchaspo wer，gascategory，gasflow，bias，dopingtype，ionsimplantation，mask)，ontheetch— ing processhasbeenma inlyanalyzed ，SO asto provideareferenceorguideforfurtheroptimizationofthetechnicalpa— ram eters． Keywords diam ond，micro-fabrication，etching ，plasma 0 引言 金 刚石具 有许 多卓越 的物理 化学性 质 ，如质量 轻 、强度 高 、 耐磨损 、抗腐蚀 、导 热性 、绝缘性好 ，将其推 向实 际应 用一直是人 们研究的重点和努力的方向。目前已经实现的应用领域有切削 工具 的超硬涂层 、扬 声器振膜 涂层 、激光器 和集成 电路散热 片 、 X射线窗 口材料和掩膜版支撑材料 、光学元件涂层 等 ，这 些应用 实际上仍 只是应用 了金刚石 的优异机械性 能和物理性能l】 ]。 作为 电子功能材料 ，金 刚石具 有高 电阻 率 、高 杨 氏模量 、高 击穿 场强 、低介 电常数 、极低线膨胀 系数 、极小的摩擦 系数 、宽光 谱透 过范围 、宽禁带宽度 、极高 的载流 子迁 移率等优异 的光 、机 、 电性能 ]，可广泛用作特定功能器件的主体部件 ，如压阻式传 感器[“ 、温度传感器[g]、微制动器、微光器件[ ”]。而且，金 刚石 的 耐 高 温 、耐 腐 蚀 性 能 使 得 金 刚 石 微 电 子 机 械 系 统 (MEMS)器件可在恶劣环境下正常工作[Z,123，如由金刚石薄膜 制造的压力传感器件的工作温度已经达到 680~Cl1，这是其它 电子 材 料 所 不 可 替 代 的。但 是 ，已 经 研 制 成 功 的 金 刚 石 膜 MEMS器件尚不多见l】，仅有少数几例特种传感器，除此之外， 只有一些简单 的微 结构 ，如悬臂 梁l】5]等 ，主要 的原 因之一 就是 金刚石难 以被加工 l2]。 金刚石微细加工主要 有选择 性生 长和 刻蚀两 大类 ，刻蚀 主 要 有湿法和干法 两 大类[16,17]。选择 性 生长 是先 将 耐高 温材 料 沉 积在衬底 上 ，再利用 光刻技术刻蚀 出所需 的图形 ，然后进行 金 刚石膜 的生长 ，最 后将 掩膜去掉 ；刻蚀 法主要是利用干法 刻蚀 技 术在金刚石膜上直接刻出所需图形 ”]。由于金刚石薄膜生 长 条件 的特殊性 ，生长 区域 的选择性 是 由初始表 面 的晶核形 成 能力决定的，没有边际掩膜的约束 ，随着薄膜厚度的增加，其侧 向生长 在所难免 ，因此 显著 降低 了该工艺 加工成 型微结 构 的尺 寸精度 ，同时还有厚膜 生长 可能产 生的非 活化 区域稀疏 晶核 持 续生长 所造成的结构粘连 ，所 以，选择 性生长的效果并不尽 如人 意l2 。关 于刻蚀 ，主要有 激光 刻蚀微 加工 和 反应 离子刻 蚀 ，激 光刻蚀微加工与一般 的干法 刻蚀不 同 ，多采用 激光 束扫描 方式 进行，除了需要进一步改进细线条加工能力之外，加工效率也亟 待提高 。与之相 比，反应离子刻 蚀 (RIE)具有 更多 的优势L2]，在 当代电子工业 中 ，它作 为一 种 传统 的技 术 ，常用 于金 刚石 的刻 蚀 [21~233。本文对金 刚石刻蚀加 工方法 的基 本工 艺特 点作 了较 系统的 比较和总结 ，以期 为工艺参 数 的进 一 步优化 提供参 考和 依 据 。 1 刻蚀 的基本 原理 由于金刚石 的化学 性质 稳定 ，难 以进 行湿 法刻 蚀 ]，所 以 *国家 自然科学基金 (50345021)；重庆市 自然科学 重点基金 (CSTC2005BA4016) 方 亮：联 系人 E-ma il：fangliang_cq@yahoo．cont．cn 维普资讯 http://www.cqvip.com
材料导报 2006年1月第20卷第1期 干法刻蚀几乎是唯一的加工手段,如Oh电子回旋共振化。实验表明:射频功率越大气压越高,对应的最佳流量值也 (FCR)21、熔融金属刻蚀2、在含有氢的微波等离子体和直流就越大 等离子体的偏压辅助刻蚀、激光刻蚀,28、离子束辅助刻2.3气体种类 蚀。干法刻蚀多在等离子体环境下进行,分为物理刻蚀和化 (1)单一气体 学刻蚀两方面作用。 S. A Compel等根据腔体中不同气压,将 G. s Sandhu等研究发现,在其它条件相同的情况下,氟的 干法刻蚀分为等离子刻蚀反应离子刻蚀高密度等离子刻蚀、RE速率高于氧的RE速率氧的RE速率高于氢的RE速 离子铣(见图1)10。气压升高化学刻蚀作用增强;气压降低,率)。主要原因是碳和氟结合比碳和氧结合更容易,而碳和氧 物理刻蚀作用增强。 结合比碳和氢结合更容易结合。由于氟有毒,不常用,实验中多 以氧为基础再添加其它气体 等高子刻蚀 高子铁 (2)混合气体 (a)O2中分别加入Ar和CF4P.W.Lech等3发现,在 O2中加入Ar会使刻蚀作用增强,增强程度与Ar导致的离子 轰击作用强弱有关,即刻蚀过程是一个离子增强的化学刻蚀过 图1不同腔体压力下等离子体刻蚀的分类 程。但G. S. Sandhu等发现在O2中加入一定量的Ar并不影响 Fig. 1 Plasma category in different cavity pressur RIE速率。 对于金刚石,物理刻蚀就是用离子轰击金刚石表面,使金刚 Yataka Ando等发现在O2中加入少量CF4会大幅度提 石表面石墨化来达到刻蚀金刚石的目的;化学刻蚀就是让反应高金刚石的刻蚀速度,使刻蚀速率从2.5m/h增加到9.5m/h 物质与金刚石发生化学反应来刻蚀金刚石。总的来看物理溅但他们没有给出相应的解释。我们分析认为可能是氧气与等离 射作用强,则刻蚀速率慢,易造成薄膜的辐射损伤,但刻蚀方向子体中的碳原子反应生成碳氧化合物降低了等离子中C的浓 性好侧壁陡直薄膜清洁致密;化学反应作用强,则刻蚀速率度,从而增加了F的浓度根据F的化学性质,C和F结合比C 快但刻蚀各向同性刻蚀后薄膜表层疏松易产生“粗草”和O结合更容易,所以加入CF,会使刻蚀速率相对增大 2影响刻蚀的因素 研究还发现用纯氧进行刻蚀所得到的表面较粗糙,随着 CF4/O2比例的增大,粗糙度降低,但也会降低A掩膜与金刚石 根据上述分析,研究影响金刚石刻蚀的因素就是要研究哪之间的选择刻蚀比。气压也会影响表面的粗糙度和各向异性刻 些因素在刻蚀过程中影响了物理刻蚀和化学刻蚀的作用以及影蚀降低气压将会使表面变平滑。在CF4/(O2比为5%RF功率 响效果如何。对此,已经有很多人进行了研究,本文主要分析了200W的条件下,成功地获得了各向异性的高速度刻蚀和平 功率、气体流量、气体种类、偏压掩膜材料、掺杂类型、离子注滑的刻蚀表面,如图2所示(高径比为8),并指出通过进一步选 入、离子能量等因素的影响。 择适宜的刻蚀条件,可提高A掩膜的高选择刻蚀比,获得更高 2.1功率 的金刚石高径比阵列(如高径比为25)。 于金刚石是绝缘体材料所以一般不能用直流辉光放电 等离子体进行刻蚀而多用射频等离子体,偶尔也有用微波等离 子体或电子回旋共振(ECR)技术 射频功率是控制刻蚀反应的主要因素之一3,直接影响刻 蚀的效果,一般在300W以下33-2。功率增大一方面提高了 等离子体的离化率增加了活性激发粒子的浓度,从而大大增强 了化学刻蚀作用;另一方面造成直流自偏压增大,加速粒子轰击 基底表面,因此也增强了物理刻蚀作用。所以,功率越大,刻蚀 速率越高。但是这并不意味着射频功率越大越好,射频功率过 图2RE制备的金刚石微阵列的扫描电镜照片 大时,物理溅射作用过强,掩膜材料被刻蚀,其生成物沉积在薄 Fig 2 SEM micrographs of diamond micro 膜表面,可能导致刻蚀后薄膜表面发黑 cylindrical array fabricated by RIE 2气体流量 b)H2中分别加入O2和ArL. Bello等01发现H2中加 气体流量反映室内各种成分的更新速率因此对刻蚀速率O2可以明显地改变刻蚀速率。我们分析认为加入O可能 有明显影响。研究发现随着流量的增大,刻蚀速率迅速提高但加强了物理刻蚀和化学刻蚀的作用,使刻蚀速率增加 在较高流量下,刻蚀速率反而下降。其原因可做如下解释:在低 G. S Sandhu等和LBll等发现在H2中加入Ar 流量情况下,刻蚀速率受活性反应粒子供应不足的限制,增大气也会提高刻蚀速率。这主要是因为加入A后导致重离子增 体流量可以提供更多的反应气体的活性粒子,同时也可以更快多离子轰击增强物理刻蚀作用增强从而使刻蚀速率提高。 地将反应产物带走,从而使刻蚀加速;而高流量情况下,活性粒 (c)Ar中加入O2和CF4P.W. Leech等发现在其它条件 子还没来得及与被刻蚀材料充分反应就被抽走,反应气体没有相同时(离子能量1keV),用Ar/CF4进行刻蚀时的速率低于用 被充分利用。因此存在一个能够最大程度发挥反应气体作用的Ar/O2刻蚀时的速率,且刻蚀反应对CF4比例的改变不敏 最佳流量这个最佳流量值会因射频功率、工作气压的改变而变感。分析认为在Ar/CF4混合气体中,金刚石的刻蚀主要是由
· 102 · 材料导报 2006年 1月第 20卷第 1期 干法 刻 蚀 几乎 是 唯 一 的加 工手 段 ，如 Oz电子 回旋 共 振 (ECR)cz 、熔融金属刻蚀E 、在含 有氢 的微 波等离 子体 和直流 等离子体 的偏 压 辅 助 刻蚀E 、激 光刻 蚀 [2．28]、离子 束 辅 助 刻 蚀E 。干法刻蚀多在等离 子体 环境下进行 ，分 为物理刻蚀 和化 学刻蚀两方面作用 。&八 Compbell等根据腔体 中不 同气压 ，将 干法刻蚀 分为等 离子刻蚀 、反 应离子 刻蚀 、高密度 等离子 刻蚀 、 离子铣 (见图 1)c“]。气压 升高 ，化学 刻蚀作 用增 强 ；气 压 降低 ， 物理刻蚀作用增 强。 1O’ 1O ‘ 1O 1O 压 力，Z133322Pa 图 1 不 同腔 体压力下等离子体 刻蚀 的分类 tag．1 Plasma~~ltegoryin diferentcavitypressure 对于金刚石，物理刻蚀就是用离子轰击金刚石表面，使金刚 石表面石 墨化来 达到刻蚀金 刚石 的 目的；化学 刻蚀 就是让 反应 物质与金 刚石 发生化学反 应来 刻蚀金 刚石 。总的来 看 ，物 理溅 射作用 强 ，则 刻蚀速 率慢 ，易造成薄 膜 的辐 射损伤 ，但刻蚀 方 向 性好，侧壁陡直，薄膜清洁致密；化学反应作用强，则刻蚀速率 快 ，但 刻蚀 各 向同性 ，刻蚀后薄膜表层疏松 ，易产生“粗 草”[3]。 2 影响刻蚀的因素 根据上述分析 ，研究影 响金 刚石刻蚀 的因素就 是要研 究哪 些 因素在刻蚀 过程 中影响 了物理刻蚀和化学 刻蚀 的作用 以及影 响效果如何 。对此 ，已经有很 多人进行 了研 究 ，本 文主要分析 了 功率 、气体流量 、气体 种类 、偏 压 、掩 膜 材料 、掺杂 类 型、离 子注 入 、离子能量等 因素 的影响 。 2．1 功 率 由于金 刚石是绝缘 体材料 ，所 以一般 不能 用直 流辉光 放 电 等离子体进行刻蚀 ，而多用射频等离子 体 ，偶尔也有用微 波等离 子体或电子回旋共振(EcR)技术。 射频功率是控制刻 蚀反应 的 主要 因素 之一 [3]，直 接影 响刻 蚀的效果 ，一般在 300W 以下E 。功率增 大一 方 面提 高 了 等离子体 的离化率 ，增加 了活性激发粒 子的浓度 ，从 而大大增强 了化学刻蚀作用 ；另一方面造成直流 自偏压 增大 ，加速粒 子轰击 基底表面 ，因此 也增强 了物理 刻蚀作用 。所 以 ，功率 越 大 ，刻蚀 速率越高 。但是这并不 意味着 射频 功率越 大越好 ，射 频功 率过 大时 ，物理溅射作 用过强 ，掩膜 材料被 刻蚀 ，其生成 物沉积 在薄 膜表面 ，可 能导 致刻蚀后薄膜表面发黑 。 2．2 气体流量 气体流量反映室 内各 种成分 的更新 速 率 ，因此对 刻蚀 速率 有明显影响 。研究发现 随着流量 的增 大 ，刻蚀速 率迅速提高 ，但 在较 高流量下 ，刻蚀 速率 反而下降 。其原 因可做 如下解释 ：在低 流量情 况下 ，刻蚀速率受 活性 反应粒子供应不足 的限制 ，增 大气 体流量可以提供更多 的反 应气体 的活性 粒子 ，同时也 可以更快 地将 反应产物 带走 ，从而使 刻蚀加速 ；而高流量情 况下 ，活性 粒 子还 没来 得及与被刻蚀材 料充分 反应就 被抽 走 ，反应气 体没 有 被充 分利用 。因此存在一个能够最 大程度发挥反应气体作用 的 最佳流量，这个最佳流量值会因射频功率、工作气压的改变而变 化。实验表明：射频功率越大，气压越高，对应的最佳流量值也 就越 大 。 2．3 气体种类 (1)单一 气体 G．& Sandhu等研究发 现，在其它条件相 同的情 况下 ，氟的 RIE速率高于 氧的 RIE 速率 ，氧的 RIE速 率 高 于氢 的 RIE速 率E303。主要原因是碳和氟结合比碳和氧结合更容易，而碳和氧 结合 比碳和氢结合更容易结合。由于氟有毒，不常用，实验中多 以氧为基础 ，再 添加 其它气体 。 (2)混合 气体 (a)O2中分别加入 Ar和 CF4 P．W．Leech等E333发现 ，在 02中加入 Ar会使 刻蚀 作用 增强 ，增 强程 度 与 Ar导致 的离 子 轰击 作用 强弱有关 ，即刻蚀过 程是 一个离 子增 强的化 学刻蚀 过 程。但 G．S．Sandhu等发现在 02中加入一 定量的 Ar并不影响 RIE速率E]。 Yataka．Ando等E313发 现在 02中加 入少量 CF4会大 幅度提 高金 刚石 的刻蚀速度，使刻蚀速率从 2．5tan／h增加 到 9．5btm／h， 但他们 没有给 出相应 的解释 。我们分 析认为可能是氧气与等 离 子体 中的碳原子反应生成碳 氧化合物 ，降低 了等 离子 中 C的浓 度 ，从而增加 了 F的浓度 ，根 据 F的化学性 质 ，C和 F结 合 比 C 和 0结合 更容易 ，所 以加 入 CF4会使 刻蚀 速率相对增大 。 研究 还发 现用 纯 氧进 行 刻 蚀 所得 到 的表 面 较粗 糙 ，随着 CF4／O2比例的增大 ，粗糙 度降低 ，但也 会降低 Al掩膜 与金 刚石 之 间的选 择刻蚀 比。气压也会影 响表面的粗糙度和各 向异性刻 蚀 ，降低气压将会使 表面变平滑 。在 CF4／()2比为 5％、RF功率 为 200W 的条件下 成功地获 得 了各 向异 性 的高速 度刻 蚀和平 滑的刻蚀 表面 ，如图 2所 示(高径 比为 8)，并 指出通过 进一步选 择适 宜的刻蚀条件 ，可提 高 Al掩 膜 的高选择 刻蚀 比 ，获 得更 高 的金 刚石高径 比阵列 (如高径 比为 25)。 图 2 RIE制备的金刚石微阵列的扫描 电镜 照片 Fig．2 SEM micrographsofdiamond microcylindricalarray fabricated byRIE (b)H2中分别 加入 02和 Ar I．Bello等Eo]发 现 H2中加 入 02可 以明显地 改变刻蚀 速率 。我们分 析认 为加入 02可能 加强 了物理 刻蚀和化学刻蚀 的作用 ，使刻蚀速率增加 。 G．& Sandhu等E3o]和 LBello等[o]发 现在 H2中加 入 Ar 也会提高 刻蚀 速 率。这 主要 是 因为加 入 Ar后 导致 重 离 子增 多，离子轰击增强，物理刻蚀作用增强，从而使刻蚀速率提高。 (c)Ar中加 入 02和 CF4 P．w．Leech等发现在 其它条件 相 同时 (离子能量 lkeV)，用 Ar／CF4进行 刻蚀时 的速 率低 于用 Ar／O2刻蚀 时的速 率[3 ，且 刻 蚀 反应 对 CF4比例 的改变 不 敏 感 。分析认为在 At／CF4混 合气 体中 ，金刚 石 的刻 蚀主 要是 由 维普资讯 http://www.cqvip.com
金刚石刻蚀技术研究/冯明海等 03· 于物理溅射;在用Ar/O2进行刻蚀时,物理刻蚀和化学刻蚀都 存在,从而导致后者的刻蚀速率高于前者。他们还发现Ar在3结束语 O2或CF4混合气体中对金刚石刻蚀时,刻蚀速率随着离子能量 目前金刚石的刻蚀技术多以反应离子刻蚀为主,射频功率 的平方根线性增大 在300W以下,反应气体以CF4十O2效果较好,掩膜以A或 24偏压 NiTi为主气体流量、气体种类、掺杂类型和离子注人等因素对 L Bello等研究了偏压对刻蚀的作用。在H2等离子体刻蚀也有影响 中,偏压导致的电子轰击不能提高刻蚀速率但偏压导致的离子 金刚石器件有着非常诱人的前景,目前的刻蚀技术已基本 轰击可通过使金刚石表面石墨化来提高刻蚀速率。在H2/Ar、成熟,为什么在实际应用方面少之又少呢?因为金刚石器件在 H2/O混合气体和H2中用微波和热丝等离子体对多晶金刚实际应用方面还存在诸多问题如:①金刚石与金属间难以形成 石刻蚀的研究表明在负偏压下无论用微波等离子体还是用热理想的欧姆接触;②在高于500℃以上的温度使用时,在有氧环 丝等离子体得到的刻蚀速率特性相似。在刻蚀过程中,偏压导 下,金刚石容易发生表面石墨化现象;③高于600℃时,硅基 致离子不停地轰击金刚石表面使之转化为石墨因此随着负体在载荷的作用下易发生塑性变形,④金刚石膜的钝化和封装 偏压的增加,刻蚀速率迅速增加。另一方面,正偏压同样可以提⑤耐高温的基体材料。这些问题都将是金刚石应用发展道路 高刻蚀速率这种相反的刻蚀特性很可能是因为补充了部分正上的绊脚石,如果解决了这些问题,实现金刚石器件的广泛应用 离子和产生了额外的负离子所致。但是也存在缺点:会导致较将指日可待 高的缺陷密度和非金刚石相的形成 参考文献 2.5掩膜材料 丁桂甫等对反应离子刻蚀条件下使用掩膜的情况进行了研1张文华,丁桂甫,王谦,等微细加工技术,1998,(1):37 2丁桂甫,曹莹,李新永,等.金刚石与磨料磨具工程,2003 究,认为金属硬掩膜是较厚金刚石薄膜反应离子刻蚀的较好选 (133):6 择。A掩膜与金刚石薄膜的结合力欠佳,当掩膜图形化后,部3姚翔,沈荷生,丁桂甫,等.微细加工技术200,(3):23 分图形会自动脱落而且难以找到合适的过度粘结层。于是选4莘海维张志明,等.微细加工技术,2001,(1):67 择NT、N和Cu进行氧气氛下反应离子刻蚀金刚石薄膜的实5 Rafi Kalish. Appl Surf Sci,1997,117/118:558 验。结果表明:NiTi合金薄膜具有刻蚀选择比高、加工工艺简6 Deguchi M, Hase n, Kitabatake M,etal. Diamond Relat 单、图形化效果较好的优势;Ni掩膜特别是电镀方法制作的Ni Mater,1997,(6):367 掩膜以其精确的尺寸控制能力、理想的多层结构模式和适当的7周灵平靳九成李绍禄等.半导体技术,1997,(4):1 而Cu的选择比不8凌行,莘海维张志明等微细加工技术,200,(2):69 够高,所以Cu掩膜一般情况下不是较好的选择 9 Job R, Denisenko A v, Zaitesv a m, et al. Thin Solid film 2.6摻杂类型 1996,290291:165 0张志明沈荷生,何贤昶,等微细加工技术,1999,(4):33 M Bernard等报道了金刚石掺杂类型对刻蚀的影响,发11张志明李胜华,等.微细加工技术,199,(23):14 现未掺杂和轻微硼摻杂的金刚石外延膜具有相似的行为,在 12 Ramesham r, Rose M f. Thin Solid Films, 1998, 320: 223 40~-140V直流电压范围内,刻蚀速率随着电压的增加而增13 Davis L,eta. IEEE International Symposium on Industrial 加;而磷摻杂和B单晶具有相似的行为,刻蚀速率随着电压的 Electronics, 1998. 274 增加而降低,与CVD、HPHT特性和(111)、(100)方向无关 14 Pan L S, Kania D R Electronic properties and applications. 2.7离子注入 Boston Kluwer Academic Publishers, 1995 Pw.Lech等首次发现离子注人能加快金刚石的刻15 Ding G, Zhao X,YuA, et al Proceedings of SPIE,2000 4223:61 蚀选择C和Ge作为注人离子,注入剂量从5×1013ions/m2 compbell S A. The acience and engineering of microelectric 变化到5×10 s ions/(cm2。实验结果表明刻蚀速率依赖于离子 fabrication. Second ed. London: Oxford University Press 注入所造成的损害。离子注入剂量的增加使非金刚石碳或非晶 态碳的比例不断提高,从而导致在离子束刻蚀中刻蚀速率不断17丁桂甫,俞爱斌,赵小林等微细加工技术,2001,(3):74 提高。此外,在Ar/O2气氛中由于重离子所造成的损害更大,18 Dorsch O, Werner M, Obermeier e. Diamond Relat Mater 相同剂量的Ge注入比C的注入所导致的刻蚀速率高。Ge和C 1995,4:456 注入剂量相同时,在Ar/(O气氛中的刻蚀速率比在纯Ar氛围19 Inoue T, Tachibana H, Kumagai K,etal. J Appl Phys, 中的高,这主要是因为刻蚀过程中产生了CO和CO2 1990,67(12):7329 此外, Timothy3°用氬和氧离子束刻蚀金刚石薄膜,发现溅20Belo, Fung M K, Zhang WJ,etal. Thin Solid Films,2000 射率随着氧离子束的人射角的变化而变化,而且氧离子能量由21 Werner M, Schlichting v, Obermeier E. Diamond Relat Ma 0.5keV增加到1keV时溅射率并不增加 ter,1992,1:277 经刻蚀过的金刚石表面往往较粗糙, Akihisa yoshida等22 Shikata s, Nishibayashi Y, Tomikawa T,etl.Proc2lnt 报道了用气体团离子束刻蚀方法对刻蚀过后的金刚石表面进行 Conf of Diamond Films and Related Materi- 平整化,使其表面的粗糙度降低到原子尺寸(1.9mm),并指出气 als, MIU, Tokyo, 1993. 337 体团离子束刻蚀将是未来金刚石器件实现应用的关键技术。 (下转第108页)
金 刚石刻蚀技术研究／冯明海等 ·103 · 于物理溅射；在用 Ar／Oz进行刻蚀时，物理刻蚀和化学刻蚀都 存在，从而导致后者的刻蚀速率高于前者。他们还发现 Ar在 02或 CF4混 合气 体中对金刚石刻蚀时 ，刻蚀速率随着离子能量 的平方根线性增大 。 2．4 偏压 LBello等研究 了偏 压对 刻蚀 的作用[2 。在 Hz等离 子体 中 ，偏压导致 的电子轰 击不 能提高刻蚀速率 ，但偏 压导致 的离子 轰击可通过使金刚石表面石 墨化来 提高 刻蚀速率 。在 Hz／Ar、 H ／02混合气 体和 Hz中 ，用微 波和 热丝 等离 子体对 多 晶金 刚 石刻蚀的研究表明 ，在负偏 压下 ，无论 用微 波等离子体还是用热 丝等离子体 ，得到的刻蚀速率特性相似 。在刻蚀过程 中 ，偏压导 致离子不 停地轰击 金刚石表 面 ，使 之转化 为石墨 ，因此 ，随着 负 偏压 的增加 ，刻蚀速率迅速增加 。另一方 面 ，正偏压 同样可 以提 高刻蚀速率 ，这种相反 的刻 蚀特性很 可能是 因为补充 了部分 正 离子和产生 了额外 的负离 子所致 。但 是也存 在缺 点 ：会 导致 较 高 的缺 陷密度 和非 金刚石相的形成 。 2．5 掩膜材料 丁桂 甫等对反 应离 子刻蚀条件下使用掩膜 的情况进行 了研 究 ，认为金属硬掩膜是较厚 金刚石 薄膜 反应离 子刻蚀 的较好 选 择。Al掩膜与金刚石薄膜的结合力欠佳，当掩膜图形化后，部 分图形会 自动脱落，而且难以找到合适 的过度粘结层。于是选 择 NiTi、Ni和 Cu进行氧气氛下反应离子刻蚀金刚石薄膜的实 验 。结果 表明 ：NiTi合 金薄膜 具有 刻蚀 选择 比高 、加工 工艺 简 单 、图形化效果较好 的优势 ；Ni掩膜 特别 是 电镀 方法制 作 的 Ni 掩膜 以其精确的尺寸控制能 力 、理想 的多层结 构模式 和适 当 的 选择 比而特别适合 于精 细结构 加工 时使 用 ；而 Cu的选 择 比不 够高 ，所 以 Cu掩膜一般情况下不是 较好 的选择 。 2．6 掺杂类型 ^，LBernard等报道 了金 刚石掺 杂类 型对刻蚀 的影 响_3 ，发 现未掺杂和轻微硼掺杂 的金 刚石外 延膜具 有相似 的行 为 ，在 一 4O～ 一140V 直流 电压范 围 内，刻 蚀速率 随 着 电压 的增 加 而增 加 ；而磷掺杂 和 IB单 晶具有 相似 的行 为 ，刻蚀速 率 随着 电压 的 增加而降低 ，与 CVD、HPHT特性和 (111)、(100)方 向无关 。 2．7 离 子注 入 P．w．Leech等 首次 发现 离 子 注人 [35]能 加 快金 刚 石 的 刻 蚀 ，选择 C和 Ge作为 注人 离子 ，注 人剂 量从 5×10”ions／cm2 变化到 5× 10 ions／cm 。实验结果表明刻蚀速率依赖于离子 注人所造成的损害 。离子注人剂量 的增加 使非金刚石碳或非 晶 态碳的比例不断提高，从而导致在离子束刻蚀中刻蚀速率不断 提高 。此外 ，在 Ar／02气氛 中，由于重离 子所造成 的损害 更大 ， 相同剂量 的 Ge注人 比 C的注人所 导致 的刻蚀速率高 。Ge和 C 注人剂量相 同时 ，在 Ar／02气氛 中 的刻蚀 速率 比在纯 Ar氛 围 中的高 ，这主要是 因为刻蚀过程 中产生 了 C0和 CCh。 此外 ，Timothy~。]用氩 和氧离子柬刻蚀金 刚石薄膜 ，发现 溅 射率随着氧离子柬 的人射 角 的变化而 变化 ，而且 氧离子 能量 由 0．5keY增加到 lkeV时溅射率并不增加 。 经刻蚀过 的金 刚石表 面往往 较粗糙 ，AkihisaYoshida等_3] 报道 了用气体 团离子柬 刻蚀 方法对刻蚀过后 的金 刚石表 面进 行 平整化 ，使其表面的粗糙度降低到原子 尺寸 (1．9nm)，并指 出气 体 团离子束 刻蚀将 是未来金刚石器件实现应用 的关键技 术 。 3 结束 语 目前 金刚石的刻蚀技 术多 以反应离 子刻蚀 为主 ，射频 功率 在 300W 以下 ，反应 气 体 以 CF4+02效果 较 好 ，掩 膜 以 Al或 NiTi为主 ，气体流量 、气体种类 、掺杂类 型和离子 注人 等因素对 刻蚀也 有影响 。 金刚石器件有着非常诱 人 的前景 ，目前 的刻蚀 技术 已基本 成熟 ，为什么在实 际应 用方 面少之 又少 呢?因为 金刚石 器件在 实际应 用方面还存在诸多 问题 ，如 ：①金 刚石与金属间难 以形成 理 想的欧姆接触 ；②在 高于 500~C以上 的温度使用 时 ，在有氧环 境 下 ，金 刚石容 易发生 表 面石 墨化现 象 ；③高 于 600~C时 ，硅基 体在载荷的作用下易发生塑性变形 ；④金 刚石膜 的钝 化和封装 ； ⑤耐高温的基体材料[4]。这些问题都将是金刚石应用发展道路 上的绊脚石，如果解决了这些问题，实现金刚石器件的广泛应用 将指 日可待 。 1 2 参 考 文献 张文华 ，丁桂甫 ，王谦 ，等．微细加工技 术 ，1998，(1)：37 丁桂 甫 ，曹 莹 ，李 新永 ，等．金 刚石 与 磨料 磨 具工 程 ，2003， (133)：6 姚翔 ，沈荷 生 ，丁桂甫 ，等．微细加工技 术 ，2000，(3)：23 莘海维 ，张志明 ，等．微细加工技术 ，2001，(1)：67 RafiKalis}L ApplSurfSci，1997，117／118：558 DeguchiM ，Hase N ，K itabatake M ，et a1． Diamond Relat M ater，1997，(6)：367 周灵平 ，靳 九成 ，李绍禄 ，等．半 导体技术 ，1997，(4)：1 凌行 ，莘海 维 ，张志 明 ，等．微 细加工技术 ，2003，(2)：69 JobR，DenisenkoA V ，ZaitesvA M ，eta1．ThinSolidFilm， 1996，290—291：165 张志明 ，沈荷生 ，何 贤昶 ，等．微 细加工技术 ，1999，(4)：33 张志明 ，李 胜华 ，等．微细加工技术 ，1990，(2—3)：14 Ram esham R，RoseM F．ThinSo lidFilm s，1998 ，320：223 DavisL，eta1．IEEE Intem ationalSym posium on Industrial Electronics，1998．274 Pan L S。KaniaD R Electronic propertiesandapplications． Boston：KluwerAcadem icPublishers，1995 Di ng G ，Zhao X ，Yu A，eta1． Proceedings ofSPIE，2000， 4223：61 Com pbellS A Theacienceand engineering ofmicroelectric fabrication．Second ed ．London： Oxford University Press， 2001 丁桂甫 ，俞爱斌，赵小林，等．微细加工技术，2001，(3)：74 Dorsch O ，W em arM ，ObermeierE． Di amond RelatMater， 1995，4：456 Inoue T，Tachibana H，Kum agaiK，eta1．J ApplPhys， 1990，67(12)：7329 BelloI，FungM K，ZhangW J，eta1．ThinSo lidFilms，2000， 368：222 W em arM ，Schlichting V ，ObermeierE．Di amond RelatMa - ter，1992，1：277 Shikata S。NishibayashiY ，Tom ikawa T ，eta1． Proc2 Int Confon ApplicationsofDi am ondFilm sandRelated M aterials，M IU ，Tokyo，1993．337 (下转 第 108页) 8 u M " 维普资讯 http://www.cqvip.com
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