CN104766794A

CN104766794A - 一种碲化铋基材料的干法刻蚀方法

Info

Publication number: CN104766794A
Application number: CN201410002044.8A
Authority: CN
Inventors: 宋君强; 史迅; 吴汀; 陈立东
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2014-01-02
Filing date: 2014-01-02
Publication date: 2015-07-08

Abstract

本发明涉及一种碲化铋基材料的干法刻蚀方法，包括：以甲烷和氢气为反应气体，以非活性气体为辅助气体，对涂有刻蚀阻挡层的碲化铋基材料进行反应性等离子体刻蚀，在所述反应气体中，H₂所占的体积比为0～62.5%，在所述反应气体和所述辅助气体的总气体中，所述辅助气体所占的体积比为16.7%～83.3%，刻蚀气压为5～30mTorr，射频功率为：上电极600～1500W、下电极50～200W，所述涂有刻蚀阻挡层的碲化铋基材料的刻蚀温度为20℃。通过控制不同气体配比、不同气压和功率等刻蚀参数的组合来选择一种最佳的刻蚀效果，即具有垂直的侧壁和快的刻蚀速度。

Description

一种碲化铋基材料的干法刻蚀方法

技术领域

本发明涉及一种在微型热电制冷器、微型热电发电器、热电红外探测器等温差电装置中使用的碲化铋基材料的干法刻蚀方法，特别是涉及一种使用反应性等离子体的被处理物质的干法刻蚀方法。

背景技术

热电器件是利用热电材料的塞贝克效应和珀尔帖效应开发的可实现热能和电能直接相互转换的器件。基于半导体微加工工艺开发的微型热电器件包括微型热电制冷器、微型热电发电器、热电堆红外探测器等，是近年来热电器件研究领域的一个重要发展方向，有望在芯片散热、微型电源、传感器等领域获得重要应用。微型热电制冷器利用热电材料的珀尔帖效应把电能转换为热能，微型热电发电器利用热电材料的塞贝克效应将温差转换为电能，热电堆红外探测器利用热电材料的塞贝克效应，采用光热转换进行红外成像。

热电材料的热电性能是影响微型热电器件性能的重要因素，由于微型热电器件主要工作在室温附近，因此，目前微型热电器件主要采用碲化铋基材料，它是目前室温附近热电性能最好的材料。在半导体工艺中，刻蚀是器件制造过程很重要的一部分。在湿法刻蚀碲化铋基化合物材料中多使用盐酸、硝酸、磷酸或它们的混合溶液，由于湿法腐蚀本质上是各向同性的，难以获得各向异性的刻蚀剖面，不适合制备较高深宽比和亚微米尺寸的微结构。干法刻蚀，尤其是利用反应性等离子体的干法刻蚀，由于刻蚀的各向异性，具有非常好的侧壁剖面控制和线宽控制，被广泛用于制备高深宽比和亚微米尺寸的微结构。然而，目前还缺少关于对碲化铋基材料进行干法刻蚀的报道。

发明内容

面对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种碲化铋基材料的干法刻蚀方法，实现材料的快速刻蚀、垂直的刻蚀侧壁和对光刻胶具有较高的选择比，为后续工艺做好准备，使器件达到更精准的水平。在利用反应性等离子体的干法刻蚀中，反应气体的组成在决定刻蚀的速度和质量方面非常重要，因此本发明提出一种基于甲烷(CH₄)和氢气(H₂)刻蚀气体用于碲化铋基材料的反应性等离子体的干法刻蚀方法。

在此，本发明提供一种碲化铋基材料的干法刻蚀方法，包括：以甲烷和氢气为反应气体，以非活性气体为辅助气体，对涂有刻蚀阻挡层的碲化铋基材料进行反应性等离子体刻蚀，在所述反应气体中，H₂所占的体积比为0～62.5%，在所述反应气体和所述辅助气体的总气体中，所述辅助气体所占的体积比为16.7%～83.3%，刻蚀气压为5～30mTorr，射频功率为：上电极600～1500W、下电极50～200W，所述涂有刻蚀阻挡层的碲化铋基材料的刻蚀温度为20℃。

本发明采用反应性等离子体干法刻蚀，主要利用等离子气体中活化的甲基与碲化铋基材料中元素(如Bi、Sb、Te)的反应，生成易挥发性物质，实现反应刻蚀的目的。刻蚀过程主要利用CH₄/H₂气体和辅助气体进行，通过控制不同气体配比（例如反应气体之间的配比、以及反应气体和辅助气体之间的配比）、不同气压和功率等刻蚀参数的组合来选择一种最佳的刻蚀效果，即具有垂直的侧壁和快的刻蚀速度。

较佳地，在所述反应气体中，H₂所占的体积比优选为40～60%。

较佳地，在所述反应气体和所述辅助气体的总气体中，所述辅助气体所占的体积比优选为25%～70%。

较佳地，所述辅助气体优选为氩气。

较佳地，所述干法刻蚀方法还包括所述碲化铋基材料的刻蚀前处理步骤，所述刻蚀前处理步骤包括：对所述碲化铋基材料进行清洗、涂刻蚀阻挡层、前烘、曝光、显影、以及坚膜。

较佳地，所述刻蚀阻挡层为光刻胶。

较佳地，所述坚膜的温度为90～110℃，时间为30～60分钟。

通过采用光刻胶作为刻蚀阻挡层，并通过控制光刻胶的坚膜温度和时间以及刻蚀参数，可以获得碲化铋基材料对光刻胶的较高刻蚀选择比。

较佳地，所述碲化铋基材料可以为碲化铋材料、碲化锑材料、或二者的合金材料。

较佳地，用于进行所述反应性等离子体刻蚀的装置可以为电感耦合等离子体装置、反应离子刻蚀装置、或电子回旋加速振荡装置。

本发明的干法刻蚀方法具有近乎垂直的刻蚀侧壁、较高的刻蚀速度、对光刻胶具有高选择比等优点，可广泛应用于微型热电制冷器、微型热电发电器、热电红外探测器等温差电装置中使用的碲化铋基材料的刻蚀。

附图说明

图1(a)为反应气体的不同配比对Bi_0.45Sb_1.55Te₃材料刻蚀速度的影响；

图1(b)为辅助气体与反应气体的不同配比对Bi_0.45Sb_1.55Te₃材料刻蚀速度的影响；

图2为通过实施例1处理得到的刻蚀面的扫描电子显微镜（SEM）照片；

图3为通过实施例2处理得到的刻蚀面的扫描电子显微镜（SEM）照片。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明提供一种基于CH₄/H₂刻蚀气体用于碲化铋基材料的反应性等离子体的干法刻蚀方法。通过由含有甲烷和氢气的反应气体生成的等离子体，对碲化铋基材料进行刻蚀。通过对各种气体配比、气压、功率、时间等刻蚀参数的控制及参数之间的不同组合，可获得较高的刻蚀速度和近乎垂直的刻蚀侧壁。

其中，待刻蚀的碲化铋基材料可以是碲化铋基半导体薄膜材料，其可以通过公知的物理或化学方法制备，例如在氧化硅衬底上磁控溅射生长碲化铋基半导体薄膜材料。又，该材料包括但不限于碲化铋材料、碲化锑材料、或二者的合金材料。

在刻蚀之前，可以将待刻蚀的碲化铋基材料进行清洗、涂胶、前烘、曝光、显影、以及坚膜处理，以使待刻蚀的碲化铋基材料覆有刻蚀阻挡层。作为刻蚀阻挡层，可以采用光刻胶，例如型号为AZ4620的光刻胶。其中坚膜处理可以是在90～110℃真空干燥30～60分钟。通过采用光刻胶作为刻蚀阻挡层，并通过控制光刻胶的坚膜温度和时间以及刻蚀参数，可以获得碲化铋基材料对光刻胶的较高刻蚀选择比。

本发明中，用于进行干法刻蚀的装置可以是电感耦合等离子体装置（ICP），也可以是反应离子刻蚀装置（RIE）、电子回旋加速振荡装置（ECR）等其它的干法刻蚀装置。

通入的刻蚀气体可以包括含有甲烷和氢气的反应气体。由含有甲烷和氢气的反应气体生成的等离子体中活化的甲基与碲化铋基材料中元素(如Bi、Sb、Te)的反应，生成易挥发性物质，实现反应刻蚀的目的。图1(a)示出一个示例中反应气体的不同配比对碲化铋基材料刻蚀速度的影响。由图可知，在反应气体中，H₂所占的体积比可为0～62.5%，优选为40～60%。借助于此，可以实现快的刻蚀速度，例如可高达约560nm/分钟。

又，刻蚀气体中还可以包括辅助气体。该辅助气体优选采用非活性气体，以用作稀释气体或载气。例如可以采用He、Ar、Ne、Kr等，优选为Ar。图1(b)示出一个示例中辅助气体与反应气体的不同配比对碲化铋基材料刻蚀速度的影响，在该示例中辅助气体采用氩气。由图可知，在反应气体和辅助气体的总气体中，辅助气体所占的体积比可为16.7%～83.3%，优选为25%～70%。借助于此，可以实现快的刻蚀速度，例如可高达约560nm/分钟。

应理解，本发明中，刻蚀气体除了包含上述气体以外，也可以包含其它气体，只要不影响本发明的目的即可。

本发明中，刻蚀温度可以为20℃。在一个示例中，刻蚀气压为5～30mTorr。在另一个示例中，射频（RF）功率为：上电极600～1500W。在又一个示例中，射频（RF）功率为：下电极50～100W。通过对各种气体配比、气压、功率等刻蚀参数的控制及参数之间的不同组合，可获得较高的刻蚀速度和近乎垂直的刻蚀侧壁。

图2和图3分别示出通过本发明两个示例处理得到的刻蚀面的扫描电子显微镜（SEM）照片，从下至上依次为衬底、碲化铋基半导体薄膜、光刻胶，从中可以看出刻蚀侧壁近乎垂直，而且对光刻胶具有较高的选择比。

本发明采用反应性等离子体干法刻蚀，主要利用等离子气体中活化的甲基与碲化铋基材料中元素(如Bi、Sb、Te)的反应，生成易挥发性物质，实现反应刻蚀的目的。刻蚀过程主要利用CH₄/H₂气体和辅助气体进行，通过控制不同气体配比、不同气压、功率等刻蚀参数的组合来选择一种最佳的刻蚀效果，即具有垂直的侧壁和快的刻蚀速度。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

步骤一，在氧化硅衬底上磁控溅射生长碲化铋基半导体薄膜材料，薄膜成分为Bi_0.45Sb_1.55Te₃；

步骤二，经过清洗、涂胶、前烘、曝光、显影、在100℃真空烘箱内坚膜30分钟等步骤后，得到刻蚀准备片；所述光刻胶型号为AZ4620；

步骤三，利用CH₄/H₂气体和辅助气体，在气体配比为CH₄:H₂:Ar=3:3:2，刻蚀气压为20mTorr，样片温度为20℃，RF功率为1500W(上电极)和50W(下电极)条件下刻蚀，并获得良好的刻蚀侧壁（图2所示）；

步骤四，将刻蚀完成的样片去胶。

实施例2

步骤一，在氧化硅衬底上磁控溅射生长碲化铋基半导体材料薄膜，薄膜成分为Bi₂Te₃；

步骤三，利用CH₄/H₂气体和辅助气体，在气体配比为CH₄:H₂:Ar=3:3:2，刻蚀气压为20mTorr，样片温度为20℃，RF功率为1500W(上电极)和70W(下电极)条件下刻蚀；

步骤四，将刻蚀完成的样片去胶，刻蚀结果如图3所示。

实施例3

步骤一，在氧化硅衬底上磁控溅射生长碲化铋基半导体材料薄膜，薄膜成分为Bi_0.45Sb_1.55Te₃；

步骤三，利用CH₄/H₂气体和辅助气体，在气体配比为CH₄:H₂:Ar=3:3:4，刻蚀气压为20mTorr，样片温度为20℃，RF功率为1500W(上电极)和50W(下电极)条件下刻蚀；

步骤四，将刻蚀完成的样片去胶。

实施例4

步骤三，利用CH₄/H₂气体和辅助气体，在气体配比为CH₄:H₂:Ar=3:3:2，刻蚀气压为10mTorr，样片温度为20℃，RF功率为1500W(上电极)和50W(下电极)条件下刻蚀；

步骤四，将刻蚀完成的样片去胶。

实施例5

步骤三，利用CH₄/H₂气体和辅助气体，在气体配比为CH₄:H₂:Ar=3:2:2，刻蚀气压为10mTorr，样片温度为20℃，RF功率为1500W(上电极)和80W(下电极)条件下刻蚀；

步骤四，将刻蚀完成的样片去胶。

实施例6

步骤三，利用CH₄/H₂气体和辅助气体，在气体配比为CH₄:H₂:Ar=3:2:2，刻蚀气压为10mTorr，样片温度为20℃，RF功率为900W(上电极)和50W(下电极)条件下刻蚀；

步骤四，将刻蚀完成的样片去胶。

产业应用性：本发明通过由含有甲烷和氢气的反应气体生成的等离子体，对碲化铋基材料进行刻蚀。通过对各种气体配比、气压、功率等刻蚀参数的控制及参数之间的不同组合，可获得较高的刻蚀速度和近乎垂直的刻蚀侧壁，可以广泛应用于微型热电制冷器、微型热电发电器、热电红外探测器等温差电装置中使用的碲化铋基材料的刻蚀。

Claims

1.一种碲化铋基材料的干法刻蚀方法，其特征在于，包括：以甲烷和氢气为反应气体，以非活性气体为辅助气体，对涂有刻蚀阻挡层的碲化铋基材料进行反应性等离子体刻蚀，在所述反应气体中，H₂所占的体积比为0～62.5%，在所述反应气体和所述辅助气体的总气体中，所述辅助气体所占的体积比为16.7%～83.3%，刻蚀气压为5～30 mTorr，射频功率为：上电极600～1500 W、下电极50～200 W，所述涂有刻蚀阻挡层的碲化铋基材料的刻蚀温度为20℃。

2.根据权利要求1所述的干法刻蚀方法，其特征在于，在所述反应气体中，H₂所占的体积比为40～60%。

3.根据权利要求1或2所述的干法刻蚀方法，其特征在于，在所述反应气体和所述辅助气体的总气体中，所述辅助气体所占的体积比为25%～70%。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的干法刻蚀方法，其特征在于，所述辅助气体为氩气。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的干法刻蚀方法，其特征在于，还包括所述碲化铋基材料的刻蚀前处理步骤，所述刻蚀前处理步骤包括：对所述碲化铋基材料进行清洗、涂刻蚀阻挡层、前烘、曝光、显影、以及坚膜。

6.根据权利要求5所述的干法刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀阻挡层为光刻胶。

7.根据权利要求5或6所述的干法刻蚀方法，其特征在于，所述坚膜的温度为90～110℃，时间为30～60分钟。

8. 根据权利要求1至7中任一项所述的干法刻蚀方法，其特征在于，所述碲化铋基材料为碲化铋材料、碲化锑材料、或二者的合金材料。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的干法刻蚀方法，其特征在于，用于进行所述反应性等离子体刻蚀的装置为电感耦合等离子体装置、反应离子刻蚀装置、或电子回旋加速振荡装置。