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為什么深硅刻蝕中C4F8能起到鈍化作用？
點擊量：1816 日期：2024-11-27 編輯：硅時代
RIE是一種結合了物理濺射和化學反應雙重機制的刻蝕技術。在等離子體中，離子和中性自由基共同作用于材料表面。其中，自由基的密度遠高于離子，它們通過高能電子與反應氣體分子的碰撞產(chǎn)生，并主導了刻蝕過程中的化學反應。SF6、CF4、CHF3、C2F6和C4F8等含氟量高的氟化物均可作為刻蝕氣體，電離產(chǎn)生F和含F(xiàn)的自由基，實現(xiàn)對材料的刻蝕。在實際工藝中，惰性氣體Ar常被加入，以提供穩(wěn)定的電子，維持輝光放電。
DRIE即基于氟基氣體的高深寬比硅刻蝕技術，是RIE技術的進一步發(fā)展和優(yōu)化。它同樣利用硅的各向異性，通過化學作用和物理作用進行刻蝕。但DRIE工藝的獨特之處在于，它采用了兩個射頻源，將等離子的產(chǎn)生和自偏壓的產(chǎn)生分離，有效避免了RIE中射頻功率和等離子密度之間的矛盾。此外，DRIE還引入了鈍化和刻蝕交替進行的Bosch工藝，通過對側壁的保護，實現(xiàn)了可控的側向刻蝕，從而能夠制作出陡峭或其他傾斜角度的側壁。
在DRIE的Bosch工藝中，在鈍化階段，C4F8氣體被通入反應室，通過電離產(chǎn)生(CF2)n長鏈聚合物。這種氟化碳類高分子聚合物，類似特氟龍膜，具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和疏水性，能夠沉積在硅槽側壁，形成一層薄薄的保護膜，阻止氟自由基與硅的反應，從而實現(xiàn)對側壁的保護。
一、C4F8的鈍化機制
電離過程
C4F8氣體電離出大量F游離基需要不少于4.88eV的能量，而電離出CF2離子，形成(CF2)n長鏈聚合物所需的能量更低。這意味著在適當?shù)纳漕l功率下，C4F8可以更容易地形成(CF2)n長鏈。
聚合物形成
(CF2)n長鏈是一種高分子聚合物，其結構穩(wěn)定，能夠在硅槽側壁形成一層致密的保護膜。這層保護膜不僅能夠阻止氟自由基與硅的反應，還能在一定程度上減少刻蝕過程中的側向刻蝕，保持側壁的陡峭度。
保護機制
在鈍化階段，(CF2)n長鏈聚合物沉積在硅槽側壁后，能夠有效阻擋后續(xù)刻蝕階段中電離出的SFx+離子對側壁的轟擊，從而保護側壁不被刻蝕。同時，(CF2)n長鏈聚合物還能通過刻蝕階段電離出的SFx+轟擊形成CF2氣體排出，實現(xiàn)保護膜的動態(tài)更新和維持。
鈍化功率的關鍵性
在DRIE的Bosch工藝中，鈍化階段的射頻功率是較為關鍵的參數(shù)。常規(guī)的鈍化功率（典型200W）遠低于刻蝕功率（典型2200W），兩者比達1：10以上。這是因為，過高的射頻功率會導致C4F8氣體過度電離，產(chǎn)生過多的F游離基，從而破壞(CF2)n長鏈聚合物的結構，降低其保護效果。而適當?shù)纳漕l功率則能夠確保C4F8氣體電離產(chǎn)生適量的(CF2)n長鏈聚合物，形成有效的保護膜。
二、C4F8的刻蝕與鈍化雙重性
C4F8不僅能在DRIE的Bosch工藝中作為鈍化氣體，還能在特定條件下作為刻蝕氣體使用。例如，在刻蝕二氧化硅時，C4F8可以作為刻蝕氣體，Ar作為載氣，通過調整上下電極的射頻功率（如上電極射頻功率為1200W，下電極射頻功率為500W），實現(xiàn)對二氧化硅的有效刻蝕。然而，在這種刻蝕過程中，C4F8的功率條件遠大于其作為鈍化時的功率，這體現(xiàn)了C4F8在刻蝕與鈍化之間的微妙平衡和雙重性。
C4F8在深硅刻蝕中的鈍化作用，是其獨特化學性質和物理機制共同作用的結果。通過電離產(chǎn)生(CF2)n長鏈聚合物，C4F8能夠在硅槽側壁形成一層致密的保護膜，有效阻擋氟自由基與硅的反應，保護側壁不被刻蝕。同時，通過調整射頻功率等工藝參數(shù)，可以實現(xiàn)對C4F8鈍化效果的精確控。
