摘 要：等離子體刻蝕是金剛石膜的拋光、切割和圖形化等加工過程中一項(xiàng)很重要的技術(shù)。本文綜述了國內(nèi)外等離子體刻蝕金剛石膜的研究成果。

關(guān)鍵詞：等離子體刻蝕；金剛石膜；進(jìn)展

1 引言

化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石膜擁有許多卓越的化學(xué)和物理性質(zhì)，如良好的化學(xué)穩(wěn)定性、高硬度、高彈性模量、高熱導(dǎo)率、寬光譜透過范圍、寬禁帶寬度和極高的載流子遷移率等，因而在機(jī)械、微電子、通訊和國防工業(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用[1]。目前，工業(yè)合成的CVD金剛石膜一般是表面非常粗糙的圓片形多晶金剛石厚膜，因此需要經(jīng)過拋光、刻蝕圖形化、切割以及金屬化和焊接等加工過程，才能實(shí)現(xiàn)其具體的工業(yè)應(yīng)用。例如，把金剛石膜用作刀具表面的超硬涂層時(shí)，需要先將所制備的金剛石膜進(jìn)行拋光和切割，才能焊接到各種刀具上。用作大功率集成電路的散熱片和紅外光學(xué)窗口時(shí)，拋光可以降低表面?zhèn)鳠釗p失和光的漫反射。而把金剛石膜用作微電子機(jī)械器件時(shí)，需要將其進(jìn)行拋光和表面微刻蝕圖形化。

低溫等離子體微細(xì)加工手段是材料微納加工的關(guān)鍵技術(shù)，它是微電子、光電子、微機(jī)械、微光學(xué)等制備技術(shù)的基礎(chǔ)[2]。特別是在超大規(guī)模集成電路制造工藝中，有近三分之一的工序是借助于等離子體加工完成的。如等離子體薄膜沉積、等離子體刻蝕及等離子體去膠等，其中等離子體刻蝕成為最為關(guān)鍵的工藝流程之一，是實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中的微細(xì)圖形高保真地從光刻模板轉(zhuǎn)移到硅片和金剛石膜上不可替代的工藝[3]。

2 主要設(shè)備與研究方法

等離子體刻蝕在金剛石膜的加工中可以起到很多方面的作用，是非常重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一。例如，將金剛石膜用作微機(jī)械、微電子、微傳感器和微光機(jī)電系統(tǒng)等方面的微納尺度器件時(shí)，需要對所制備的CVD金剛石膜進(jìn)行微加工以使其圖形化。除了采用離子源產(chǎn)生的離子束來研究微加工，如Kaufman離子源[4]，目前主要采用等離子體來研究金剛石膜的刻蝕和微加工，所采用的刻蝕系統(tǒng)主要有射頻感應(yīng)偶合等離子體刻蝕和電子回旋共振等離子體刻蝕。

射頻感應(yīng)偶合等離子體刻蝕系統(tǒng)(Inductively Coupled Plasma， ICP)[5]，是集成電路刻蝕中廣泛采用的技術(shù)，因而在金剛石膜的刻蝕圖形中，也被研究者們廣泛采用。如圖1所示，感應(yīng)偶合等離子體刻蝕系統(tǒng)包括真空系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。它采用射頻電磁波偶合加速電子，被加速的電子碰撞低壓氣體來激發(fā)產(chǎn)生低溫等離子體。同時(shí)在水冷卻基片上加上偏壓來促進(jìn)離子在等離子體鞘層中的加速，以加強(qiáng)等離子體的各向異性刻蝕。通常，感應(yīng)線圈可以環(huán)繞在石英管上，也可以由內(nèi)到外地盤繞在石英窗口面上，以產(chǎn)生所需的更大面積高密度的等離子體。

電子回旋共振等離子體刻蝕系統(tǒng)(ECR， Electron Cyclotron Resonance)[6]，是應(yīng)超大規(guī)模集成電路(VLSI)技術(shù)的發(fā)展而開發(fā)的新型大面積高密度等離子體技術(shù)。它具有無金屬電極污染、均勻性好、極低氣壓下高離化率、工藝設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為在集成電路的刻蝕中擁有美好的應(yīng)用前景。因此，在金剛石膜的刻蝕圖形中，也被研究者們所采用。如圖2所示，在電子回旋共振等離子體刻蝕系統(tǒng)中，油擴(kuò)散泵或分子泵將真空維持在10-5～10-2Pa， 2.45GHz的微波通過矩形波導(dǎo)傳入到反應(yīng)腔中。在磁場87.5mT處，電子發(fā)生回旋諧振，充分吸收微波能量，使氣體充分電離，從而產(chǎn)生低氣壓下高密度等離子體。對于刻蝕來說，較低氣壓時(shí)，離子體自由程更長，更有助于離子的加速。因而，可以在較低氣壓下產(chǎn)生大面積高密度等離子體的ECR系統(tǒng)，更容易產(chǎn)生各向同性刻蝕，甚至垂直刻蝕。圖形化金剛石膜中，普遍所采用的工藝流程如圖3所示。

其制備工藝為：

（1） 利用濺射沉積或蒸發(fā)鍍一層金屬掩體，如Al或NiTi；

（2） 利用傳統(tǒng)掩模光刻技術(shù)制作光刻膠掩模圖形；

（3） 采用專門化學(xué)刻蝕液圖形化金屬掩體，并去掉光刻膠；

（4） 采用各向異性等離子體刻蝕圖形化金剛石膜(如O2或Ar+O2)；

（5） 去掉金屬掩體。

3 金剛石膜的研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)末，國外主要將重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)刻蝕方面的基礎(chǔ)研究。利用傳統(tǒng)刻蝕裝置研究不同等離子體下刻蝕參數(shù)對刻蝕的影響和不同掩體對刻蝕的影響。普遍關(guān)注的是反應(yīng)參數(shù)對刻蝕的速率、刻蝕的各向異性以及刻蝕后的表面粗糙度的影響。例如早在1996年，H. Buchkremer-Hermanns等人[7]就以空氣為氣源，采用ECR產(chǎn)生等離子體，研究了微波功率和氣壓對CVD金剛石膜刻蝕的影響。研究發(fā)現(xiàn):微波功率一定時(shí)，刻蝕速率將隨氣壓的增大先變大后變?。粴鈮阂欢〞r(shí)，刻蝕速率將隨微波功率的增大而顯著增加。次年，美國的Gopi M.R. Sirineni等[8]采用射頻放電技術(shù)，研究了不同放電條件下的氧等離子體對CVD多晶金剛石膜刻蝕的影響。研究發(fā)現(xiàn)，氧等離子體刻蝕會(huì)導(dǎo)致金剛石膜表面出現(xiàn)大量刻蝕深坑，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致表面平均粗糙度降低一半。而且射頻功率一定時(shí)，刻蝕速率隨氣壓的升高而增加。氣壓一定時(shí)，刻蝕速率隨功率的升高而增加。但他們不能對刻蝕的影響機(jī)制給出解釋。2001年，澳大利亞的P. W. Leech等人[9]利用離子源技術(shù)，研究了不同混合氣體下刻蝕工藝對刻蝕后金剛石膜表面粗糙度以及刻蝕速率的影響。他們發(fā)現(xiàn)，以純O2為氣源時(shí)，表面粗糙度隨功率的增加而變大。而添加適量的Ar或CF4可以抑制表面粗糙度增加，甚至使表面粗糙度幾乎不變。并且以O(shè)2和Ar為氣源時(shí)，刻蝕速率將隨含氧比例的增加而升高。國內(nèi)在這方面只有上海交通大學(xué)的姚翔[10]等人于2000年以氧氣和氬氣為混合氣源，研究了射頻功率和工作氣壓以及氧氣比例對熱絲CVD金剛石膜刻蝕速率的影響，并得到類似上述國外的結(jié)論。

本世紀(jì)初，由于上世紀(jì)刻蝕基礎(chǔ)研究的顯著進(jìn)展，國外則主要將研究重點(diǎn)集中在采用最優(yōu)化的刻蝕工藝圖形化金剛石膜，試圖制作微納尺寸的金剛石膜器件。

2004年，日本的D.S. Hwang等人[11]，采用ICP系統(tǒng)以1:3的氧氣和氬氣為氣源，鋁為掩體，在氣壓2～7Pa和射頻功率700～1000W下，研究了偏壓對單晶金剛石刻蝕的影響，發(fā)現(xiàn)偏壓功率在200W下刻蝕的各向異性最為明顯，可以獲得較高的橫縱比、垂直的刻蝕壁和40?滋m/h的高刻蝕速率，以及平整的刻蝕表面。而不加偏壓時(shí)，刻蝕為各向同性。結(jié)合兩種刻蝕可以獲得有場發(fā)射性能的金剛石圓錐，如圖4所示。

2004年法國M. Bernard等人[12]采用ECR系統(tǒng)以純氧氣為氣源，Al為掩體，氣壓為2×10-5Pa和偏壓為-100V的工藝，刻蝕CVD金剛石膜制作了金剛石場發(fā)射微器件。他們發(fā)現(xiàn)，在不加Al掩體時(shí)，只能得到由于氧離子體優(yōu)先刻蝕位錯(cuò)所形成的深坑，而得不到圖形化的金剛石微柱。而加Al掩體時(shí)，氧化形成的氧化鋁非常有利于選擇性刻蝕金剛石膜而形成金剛石微柱，如圖5(a)。

2005年，瑞典的Johannes Enlund等人[13]采用ICP系統(tǒng)以7:8的氧氣和氬氣為氣源，鋁為掩體，氣壓為0.3Pa，射頻功率為600W，以及偏壓為-160V的工藝，以1.2?滋m/h的刻蝕速率圖形化摻硼單晶金剛石膜，并獲得了圖形化的金剛石微電子器件，如圖5(b)。并發(fā)現(xiàn)提高偏壓可以增加刻蝕的方向性和刻蝕速率。

國內(nèi)在這方面的研究成果主要有：2005年上海交通大學(xué)丁桂甫等人[14]，利用法國進(jìn)口的ICP系統(tǒng)，采用氧氣和氬氣的混合氣體，以NiTi為掩體，氣壓16Pa，射頻功率為60W以及偏壓為-1100V的工藝，刻蝕熱絲CVD金剛石膜制作金剛石微機(jī)械器件，并研究了刻蝕圖形化金剛石膜的機(jī)理，如圖6所示。他們發(fā)現(xiàn)使用氧氣和氬氣的混合氣作氣源時(shí)，物理濺射刻蝕和反應(yīng)刻蝕共同作用，一方面氧與金屬膜掩體反應(yīng)生成氧化物，充分阻止了氧對掩體下金剛石的化學(xué)刻蝕，而只對沒有掩體的地方進(jìn)行刻蝕，從而形成預(yù)想的圖案；另一方面氬的濺射刻蝕將金屬膜掩體濺射到被刻蝕地方的兩壁，使其免受氧的刻蝕，同時(shí)也可以使刻蝕后表面更平整，進(jìn)一步加強(qiáng)了圖形的規(guī)則性。

4 展望

雖然，有關(guān)金剛石膜刻蝕的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究已經(jīng)開展了很多，但是還存在許多不足之處。例如：不同等離子體中，功率和氣壓對刻蝕的影響機(jī)制很少有人探討，到目前為止還沒有用于解釋影響機(jī)制的理論模型。而且等離子體刻蝕在金剛石膜其它加工方面的應(yīng)用研究目前尚處于初步探索研究之中，很少有所發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展。此外，國內(nèi)對金剛石膜刻蝕的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究投入不夠，并且已有相關(guān)研究也是建立在國外進(jìn)口的刻蝕系統(tǒng)之上。其中金屬掩模氧反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)最具廣泛適應(yīng)性，而且ECR刻蝕設(shè)備相對較為普及，刻蝕技術(shù)工作在得到廣泛認(rèn)知以后，將對金剛石膜在應(yīng)用中起到有力的推動(dòng)作用。

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