純氧刻蝕pmma的研究

具有深邃、寬、陡的微結(jié)構(gòu)是提高微器官性能的關(guān)鍵。許多傳感器和靈體器都需要深、寬的比例。要得到光滑垂直的側(cè)壁,就需要側(cè)壁不發(fā)生刻蝕或沉積速率與刻蝕速率相平衡,然而這很難做到,微結(jié)構(gòu)底部及側(cè)壁都暴露在具有化學(xué)活性的等離子體中,在產(chǎn)生垂直刻蝕時必會產(chǎn)生橫向化學(xué)刻蝕。因此,尋找一種合適的微加工方法以實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的高深寬比就具有重要的實用意義。歷年來人們對高深寬比結(jié)構(gòu)研究較多的是硅材料,現(xiàn)在也開始研究其它材料,如聚合物和金屬。LIGA技術(shù)是制備高深寬比微結(jié)構(gòu)比較成熟的方法,但是由于價格昂貴,耗時長,不經(jīng)濟(jì)實用。除LIGA技術(shù)外,反應(yīng)離子刻蝕方法也可以用來制備高深寬比微結(jié)構(gòu)。反應(yīng)離子刻蝕不僅可以有高的刻蝕速率,而且可以有良好的方向性和選擇性。在反應(yīng)離子刻蝕中,為了達(dá)到各向異性刻蝕效果,常用的方法有低溫刻蝕、側(cè)壁鈍化、控制入射離子方向等方法。采用側(cè)壁保護(hù)膜的方法可以得到各向異性圖形。因此通過添加形成聚合物的氣體,使側(cè)壁形成鈍化層,有利于獲得各向異性圖形。人們研究較多的是硅材料的反應(yīng)離子深刻蝕,至于有機高分子材料的反應(yīng)離子深刻蝕及如何保護(hù)側(cè)壁不受鉆蝕,這方面的研究比較缺乏。在反應(yīng)離子刻蝕中,為了獲得比較好的微結(jié)構(gòu),尤其是控制鉆蝕現(xiàn)象,常常往刻蝕氣體中添加其它氣體。本文研究在氧刻蝕氣體中加入不同含量的CHF3,改變流量,分析CHF3對側(cè)壁的鈍化作用,比較其對微結(jié)構(gòu)形貌的影響。1化學(xué)腐蝕和反應(yīng)離子刻蝕用硅片作為襯底,在硅片上濺射鈦薄膜,并將鈦層氧化以增加它與PMMA的結(jié)合力。用模壓的方法在硅片上制備PMMA薄膜,用LEICASP2600切片機對PMMA膜進(jìn)行銑切減薄到所需厚度。然后濺射鉻銅薄膜作為種子層,再進(jìn)行鎳掩模電鍍,膜厚約2μm。在有鎳掩模的試樣表面上甩膠(AZ4330)曝光,并顯影堅膜。接著用10%H2SO4和5%H2O2混合液進(jìn)行掩模化學(xué)腐蝕,然后用稀的KOH溶液除去光刻膠,即得到了可以用于反應(yīng)離子刻蝕的試樣。實驗中采用NEXTRAL100型反應(yīng)離子刻蝕儀進(jìn)行刻蝕試驗。選定O2和CHF3作為工作氣體,氣體總流量保持為50sccm,刻蝕氣體純度為99.99%,本底真空度為1.33×10-5Pa。該系統(tǒng)是一種平行板結(jié)構(gòu),在各進(jìn)氣閥中可分別通入N2,O2,Ar,CHF3,流量調(diào)節(jié)范圍(0～100sccm),氣壓從0～13Pa,射頻電源為0～300W,頻率13.56MHz;水冷卻系統(tǒng)通入基片底部,可以調(diào)節(jié)冷卻溫度。刻蝕深度用DEKTEKⅡD型表面輪廓儀測量,用HITACHI2150掃描電鏡觀察刻蝕圖形形貌。2結(jié)果與討論2.1最大刻蝕速率隨chf3的變化圖1是當(dāng)功率為30W,工作氣壓4Pa時刻蝕速率隨氣體成分的變化曲線。由圖1可見,刻蝕速率隨CHF3增加而下降,CHF3含量超過53%時,刻蝕速率較慢,含量為65%時,刻蝕速率才9μm/h,故CHF3不能太多。隨CHF3含量增加,自偏壓從816V緩慢降為760V,總的變化不大。由此說明,刻蝕速率隨CHF3含量增加而減小,主要是化學(xué)刻蝕速率減小引起的。流量增至60sccm時,刻蝕速率增大,但是自偏壓下降,說明流量增大不利于各向異性刻蝕。反應(yīng)離子刻蝕是離子增強化學(xué)刻蝕,主要包括化學(xué)刻蝕和物理濺射兩個方面。在O-2/CHF-3等離子體中,O原子和F原子的作用很重要,許多文獻(xiàn)提出了可能的化學(xué)反應(yīng)方式,其中最重要的一步:PMMA分子中的H原子被O或F原子濺射出來,于是產(chǎn)生了可起化學(xué)反應(yīng)的活化區(qū)。當(dāng)PMMA分子活化區(qū)和氧接觸反應(yīng),C-C鏈被軟化,PMMA分子就被氧化分解?？偟目涛g速率可以寫為:ER=ηN?N+ηenh?l(1)ηN為活性粒子與PMMA的反應(yīng)速率系數(shù),?N為活性粒子流量,ηenh為離子促進(jìn)的反應(yīng)速率系數(shù),?l為離子流量。上式中第一項為化學(xué)刻蝕速率,屬各向同性刻蝕;第二項為離子促進(jìn)的刻蝕反應(yīng)速率,它取決于離子能量分布和離子角度分布,屬各向異性刻蝕。離子能量分布又取決于電壓和工作氣壓?？涛g速率隨CHF3增加而減小,主要有兩方面原因,一是CHF3增加使氧分壓減小,氧活性粒子濃度降低,即式(1)中的第一項減小,另一方面與氟化層的厚度有關(guān)。文獻(xiàn)把PMMA在O2/CHF3等離子體中的刻蝕分為三步:首先,由于活性粒子、離子、電子、激發(fā)原子及紫外輻射的作用,在表面形成一層薄的改性層,該表面層耐刻蝕,與體內(nèi)性質(zhì)不一樣;接著活性粒子通過這層擴散到下面,與下層發(fā)生反應(yīng),除去下面未改性層;最后,改性的表面層也被刻蝕。在PMMA表面O原子的濃度CO與F原子的濃度CF之比(CO/CF)決定著RIE的化學(xué)刻蝕作用過程。而氧原子和氟原子濃度又與氣體的化學(xué)吸附以及聚合物表面的親合力有關(guān),而表面親合力則是聚合物結(jié)構(gòu)及溫度的函數(shù)。O原子的濃度CO很大時,PMMA的化學(xué)分解就占優(yōu)勢,反之F原子過量鈍化占優(yōu)勢。當(dāng)氟原子較多時,PMMA分子活化區(qū)和氟原子接觸反應(yīng),在表面形成不揮發(fā)的含氟聚合物(CFxn),這層氟化層在沒有離子撞擊的情況下很難被氧等離子體刻蝕去除,即使有大量的氧原子,也只能被慢慢除掉,因此氟化層阻礙刻蝕反應(yīng)。在去除氟化層的過程中,可能有兩個過程同時發(fā)生:氟化層慢慢除去,同時氟化層下面沒有被氟化的有機物被刻蝕。氟化層的厚度與等離子體中氟的濃度有關(guān),當(dāng)CHF3流量上升時,氟化膜厚度增加,對刻蝕的阻擋作用加強,刻蝕速率下降。氟化膜對刻蝕的阻擋作用不會無限加強,它最終會與物理、化學(xué)刻蝕作用達(dá)到動態(tài)平衡,這也就是刻蝕速率下降趨勢漸緩的原因。2.2側(cè)壁陡直,離子擊擊不同條件下刻蝕圖形的掃描電鏡照片見圖2、圖3。圖2(a)、(c)為純氧刻蝕,且刻蝕深度分別為45μm、253μm的掃描電鏡照片,圖2(b)、(d)及圖3是O2/CHF3比例為30/20,刻蝕深度分別為48、260、400μm的照片。由圖2(a)、(c)可以看出純氧條件下,刻蝕深度較淺時鉆蝕不明顯,隨刻蝕深度增加到250μm時,側(cè)壁鉆蝕現(xiàn)象很嚴(yán)重。由圖2(b)、(d)及圖3可以看出,添加CHF3(含量為40%)后,圖形側(cè)壁陡直,即使刻蝕深度達(dá)到400μm(圖3)時,側(cè)壁仍然比較陡直,基本上控制了側(cè)壁鉆蝕現(xiàn)象,深寬比大于10。圖形底部有“長草”現(xiàn)象,這可能是“微掩?！毙?yīng)引起的。反應(yīng)離子刻蝕過程中,離子轟擊的作用不可忽視。在反應(yīng)離子刻蝕過程中,射頻電源和基片電極之間的耦合電容電壓稱作自偏壓,自偏壓的大小取決于濺射功率、工作氣壓、反應(yīng)室的幾何形狀及放電的不均勻性等。自偏壓相對于等離子體電壓而言為負(fù),自偏壓使等離子體中的正離子被加速撞擊襯底,隨自偏壓增大,襯底受到正離子的碰撞更大,刻蝕各向異性效應(yīng)增大。離子轟擊試樣表面,濺射刻蝕試樣材料,產(chǎn)生活化區(qū),同時離子的化學(xué)反應(yīng)活化能減少。一般來說,刻蝕反應(yīng)和生成聚合物的反應(yīng)在反應(yīng)室內(nèi)是同時存在的,最后反應(yīng)的結(jié)果是基片表面或者被刻蝕,或者有等離子反應(yīng)的聚合物沉積;在刻蝕槽的底面總是有入射離子,所以離子相關(guān)的刻蝕反應(yīng)超過等離子聚合物的生成反應(yīng),結(jié)果是刻蝕槽的底面被進(jìn)一步刻蝕;在刻蝕槽的側(cè)壁因為不容易受到離子的入射,生成等離子聚合物的反應(yīng)可能超過刻蝕反應(yīng),其結(jié)果是側(cè)壁被鈍化。由上節(jié)討論知,加入CHF3后,表面形成了氟化膜,由于圖形底部受到離子轟擊的作用較強,氟化膜被去除,而側(cè)壁受到離子轟擊概率較少,故氟化膜對側(cè)壁起到了保護(hù)作用,因而控制了側(cè)壁鉆蝕現(xiàn)象。3chf3對側(cè)壁的影響比較了純氧反應(yīng)離子刻蝕PMMA和加入CHF3后刻蝕速率和刻蝕圖形形貌的變化。純氧刻蝕PMM