CN104404518A

CN104404518A - 一种大气压下对硅系材料进行无掩膜微细加工的方法

Info

Publication number: CN104404518A
Application number: CN201410532673.1A
Authority: CN
Inventors: 徐文骥; 陈发泽; 刘新; 艾新雨; 黄帅; 杨晓龙
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2014-10-10
Filing date: 2014-10-10
Publication date: 2015-03-11

Abstract

本发明涉及一种大气压下对硅系材料进行无掩膜微细加工的方法，属于材料加工技术领域。工作气体选择氩气或氦气，刻蚀气体选择含氟气体或含氯气体，另外还需通入少量辅助气体如氧气或氢气。射流发生器采用微细射流发生器，生成直径在毫米至微米级的微细射流，射流中富含多种活性成分，包括能和硅系材料发生反应的氟自由基或氯自由基。本发明提供的方法可在不使用传统掩膜的情况下，在硅系材料上实现毫米至微米级的微细加工。大气压等离子体射流宏观温度低，对硅系材料的热损伤低；该方法无需掩膜，操作简单，能耗小，加工产物对环境危害小，是一种绿色环保的微细加工方法。

Description

一种大气压下对硅系材料进行无掩膜微细加工的方法

技术领域

本发明涉及一种大气压下对硅系材料进行无掩膜微细加工的方法，属于材料加工技术领域。

背景技术

硅系半导体材料拥有较宽的能隙、较高的热导率以及临界击穿电场高等优点，在高频、高温、抗辐射、光电子等方面得到越来越多的应用。硅系半导体器件的制作过程中，微细加工工艺是一项关键技术。传统的湿法刻蚀技术因无法保证刻蚀的各向异性，刻蚀溶液对环境和操作人员有危害等缺点而逐渐被等离子体刻蚀技术取代。传统的低气压等离子体微加工硅系材料技术已经很成熟，但是低气压等离子体需要昂贵的真空设备，真空腔尺寸大大限制了被加工件的尺寸，同时真空的获得需要花费大量时间，大大降低了加工效率。

适量氟基、氯基等气体在等离子体气氛中会被激发形成活性F、Cl，和硅系材料接触后会发生化学反应生成挥发性气体(如SiF₄等)，从而对硅系材料形成去除。通常，加工过程中还要加入少量辅助气体(如氧气)，以提高去除效率。

Ichiki等(Ichiki T,Taura R,Horiike Y.Localized and ultrahigh-rate etching ofsilicon wafers using atmospheric-pressure microplasma jets[J].Journal of appliedphysics,2004,95(1):35-39.)用100MHz超高频激励生成的等离子体射流实现了硅和石英玻璃基片的高速局域刻蚀，但超高频射频电源增加了能耗，复杂的水冷系统也使操作繁琐。

发明内容

本发明提供了一种大气压下对硅系材料进行无掩膜微细加工的方法，实现对硅系材料的微量去除加工。

一种大气压下对硅系材料进行无掩膜微细加工的方法，该方法采用的微细射流发生器包括空心针电极、出口为收缩式的介质层、环电极和高压电源；介质层的出口直径不大于1mm；空心针电极与高压电源的高压输出端相连，环电极接地；微细射流发生器、载物台和排气口共同组成反应腔；大气压等离子体射流通过气体流量控制单元注入到空心针电极，刻蚀气体通过气体流量控制单元注入反应腔；微细射流发生器固定在反应腔内，将待加工的硅系材料放置在载物台上，并置于微细射流发生器的大气压等离子体射流出口正下方；向反应腔中通入刻蚀气体，刻蚀气体充满于反应腔中；再将惰性气体通入微细射流发生器中；在频率低于100kHz的高压电源激励下，空心针电极和接地环电极间发生介质阻挡放电，生成等离子体射流，同时刻蚀气体在等离子体氛围中分解出活性原子，活性原子与置于等离子体射流末端的硅系材料接触并发生化学反应，微量去除硅系材料。

所述的空心针电极为不锈钢针；所述的环电极为黄铜；所述的介质层选用毛细石英玻璃管。

所述的刻蚀气体为含氟气体或含氯气体；在通入刻蚀气体的同时还通入辅助气体，所述的辅助气体为氧气或氢气。

本发明的有益效果是无需真空设备、水冷系统等，大大简化加工设备；中间产物和加工产物对环境无污染，是一种绿色的微细加工方法；采用频率低于100kHz的低频高压电源，有效降低功率耗散和高频源的辐射；大气压微细等离子体射流宏观温度低，对硅系材料热损伤小。

附图说明

图1是采用大气压微细等离子体射流对硅系材料进行微细加工的示意图。

图2是采用氦气为工作气体、六氟化硫为刻蚀气体、氧气为辅助气体，加工碳化硅得到的微坑形貌图。

图中：1空心针电极；2介质层；3地电极；4工作气体源；5刻蚀气体源；6辅助气体源；7气体流量控制单元；8反应腔；9刻蚀气体和辅助气体混合气体；10高压电源；11大气压等离子体射流；12载物台；13硅系材料基片；14排气口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例

采用氦气为工作气体，SF₆为刻蚀气体，O₂为辅助气体，气体纯度均为99.999％，并对SiC进行微细加工。选用的心针电极为不锈钢针，环电极为黄铜，介质层选用毛细石英玻璃管，其出口为收缩式。在进行微细加工前，按图1将设备分别连接：微细射流发生器的空心针电极与高压电源的高压输出端相连，环电极接地,高压电源采用正弦波交流电源，输出频率固定在60kHz；将冷等离子体射流发生器固定在反应腔内，将待加工的硅系材料放置在载物台上，并置于射流出口正下方10mm处。加工前先在反应腔中通入SF₆和O₂，其流量由气体流量控制单元分别控制为0.15L/min和0.02L/min，SF₆及O₂混合注入反应腔后形成SF₆及O₂的混合气体氛围。五分钟后，通过气体流量控制单元以1.2L/min的流量将氦气通入空心针电极，开启高压电源，逐渐提高输出电压至2.7kV，等离子体射流发生器的出口产生稳定的等离子体射流，并将射流和SiC接触区域的刻蚀气体解离产生活性F，F与SiC反应生成挥发性SiF₄等，实现对SiC的微细加工，加工时间设定为20分钟。生成的产物通过排气口排出反应腔。图2所示是加工得到的微坑，深度约为4微米，直径小于0.8毫米。

Claims

1.一种大气压下对硅系材料进行无掩膜微细加工的方法，其特征在于，该方法采用的微细射流发生器包括空心针电极、出口为收缩式的介质层、环电极和高压电源；介质层的出口直径不大于1mm；空心针电极与高压电源的高压输出端相连，环电极接地；微细射流发生器、载物台和排气口共同组成反应腔；大气压等离子体射流通过气体流量控制单元注入到空心针电极，刻蚀气体通过气体流量控制单元注入反应腔；微细射流发生器固定在反应腔内，将待加工的硅系材料放置在载物台上，并置于微细射流发生器的大气压等离子体射流出口正下方；向反应腔中通入刻蚀气体，刻蚀气体充满于反应腔中；再将惰性气体通入微细射流发生器中；在频率低于100kHz的高压电源激励下，空心针电极和接地环电极间发生介质阻挡放电，生成等离子体射流，同时刻蚀气体在等离子体氛围中分解出活性原子，活性原子与置于等离子体射流末端的硅系材料接触并发生化学反应，微量去除硅系材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的空心针电极为不锈钢针。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的环电极为黄铜。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的介质层选用毛细石英玻璃管。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的刻蚀气体为含氟气体或含氯气体；在通入刻蚀气体的同时还通入辅助气体，所述的辅助气体为氧气或氢气。