基于单晶AlN薄膜的干法刻蚀和湿法腐蚀

发布时间：2021-11-26 10:25

　　采用干法刻蚀和湿法腐蚀工艺刻蚀单晶〈002〉晶向AlN薄膜。干法刻蚀中采用电感耦合等离子体（ICP）设备在不同功率和腔压等工艺参数以及不同气体体积流量下刻蚀单晶〈002〉晶向AlN薄膜,通过比较几种刻蚀结果得出在ICP射频（RF）功率为100 W、ICP线圈功率为500 W、偏置电压为-400～-100 V、腔内压强为4 mTorr（1 Torr=133 Pa）以及BCl3、Cl2和Ar的体积流量分别为50、70和30 cm3/min的工艺参数下刻蚀单晶〈002〉晶向AlN薄膜,得到刻蚀速率均匀及侧壁垂直度较好的刻蚀形貌,采用场发射扫描电子显微镜（FESEM）测试刻蚀后AlN薄膜的平均表面粗糙度（≤20 nm）良好。湿法腐蚀中采用质量分数为10%的KOH溶液在不同温度下腐蚀AlN薄膜,得出刻蚀速率随着温度的升高而增加,腐蚀速率均匀性一般,平均表面粗糙度（<150 nm）也较差。通过比较两种工艺得出干法刻蚀更适合AlN薄膜的图案化。 

【文章来源】：微纳电子技术. 2020,57(07)北大核心

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

AlN薄膜和金属Mo的X射线衍射角

图2(a）为AlN薄膜刻蚀速率与ICP线圈功率以及腔压的关系（图中1 Torr=133 Pa）。研究过程中，固定刻蚀气体配比（Cl2、BCl3和Ar的体积流量分别为14、10和6 cm3/min）、温度（10℃）以及偏置电压（-250 V）。刻蚀过程中ICP线圈的功率变化会影响等离子体密度，增加功率可提高反应物气体的输入和刻蚀生成物的脱附速率，并有助于移除刻蚀过程中不易挥发的残留物[5-8]。因此，增加ICP线圈功率可以增加AlN薄膜表面化学反应速率，从而达到增加刻蚀速率的目的。同时，ICP线圈功率设置相同的情况下增大腔压可增加刻蚀速率。但是，当ICP线圈的功率过高时，刻蚀速率会下降，原因在于反应气体的输入和刻蚀生成物的脱附移除的平衡状态被打破，等离子体浓度过高，挥发性刻蚀生成物不能及时有效地移除，从而导致刻蚀速率的降低。图2(b）为AlN薄膜刻蚀速率与偏置电压以及腔压的关系。刻蚀过程中，固定刻蚀气体的配比（Cl2、BCl3和Ar的体积流量分别为14、10和6 cm3/min）、温度（10℃）以及ICP线圈功率（600 W）。研究发现在腔压设置为4 mTorr的参数条件下，随着偏置电压的增大，AlN薄膜的刻蚀速率从20 nm/min增加到230 nm/min。同时，对比组在其他参数保持一致而腔压设置为5 mTorr的条件下，发现薄膜刻蚀速率会随着腔压的提高而增大。原因在于两点：一是偏压控制着等离子体的能量，等离子体的能量随着偏压的增大而增大，从而增加刻蚀速率；二是腔压控制着等离子体的密度，等离子体密度会伴随腔压的升高而增大，因而导致AlN薄膜表面的化学反应速率变快，实现刻蚀速率的增加[6-8]。然而，过大的偏压和腔压会导致化学反应和刻蚀生成物移除的平衡状态被打破，从而导致刻蚀速率趋于平稳而不受偏压的影响。

图4显示了〈002〉晶向AlN薄膜在Cl2、BCl3和Ar的体积流量分别为70、50和30 cm3/min时刻蚀后的侧壁SEM图。从图中可见，在固化稳定的干法刻蚀条件下，AlN薄膜具有陡直度良好的侧壁形貌。图5显示了单晶〈002〉晶向AlN薄膜在质量分数为10%的KOH溶液中腐蚀所得表面及侧壁形貌，湿法腐蚀AlN薄膜所得表面形貌和侧壁形貌平均表面粗糙度较差，腐蚀过程中各向异性较差，干法刻蚀和湿法腐蚀皆采用氧化硅作为掩膜层。可见，在对单晶AlN薄膜表面和侧壁刻蚀形貌的平均表面粗糙度要求较高的前提下，宜选用干法刻蚀工艺刻蚀AlN薄膜。图5 AlN薄膜在质量分数10%的KOH溶液中腐蚀后的SEM图


本文编号：3519954