CN104979189B - 一种基于基底晶向调控制备规则图形的等离子体刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于基底晶向调控制备规则图形的等离子体刻蚀方法属于微电子器件、薄膜、材料加工领域。其特征在于：刻蚀装置包括真空腔体、升温装置与等离子发生系统。通过温度场与等离子能量梯度调控实现基底刻蚀作用；真空度低于10Pa后，通入氮气在N2，气氛中升温到900‐1100℃，通入氢气，打开射频电源，将射频功率调到40‐150W，电离N2和H2，对基底进行刻蚀，此时气压为30‐100Pa，持续0.5‐2个小时；刻蚀结束后，关闭射频与停止通入氢气，冷却到室温。本发明无需使用任何模板，直接在衬底上刻蚀出具有规则取向的图案，并且图案的形貌和方向可以通过衬底的晶面取向调控。本发明在微电子器件制造、微纳米材料制备等方面具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术与纳微材料制备领域，涉及一种无模板等离子体刻蚀方法。
背景技术
等离子体刻蚀是指在等离子体存在的条件下，通过离子溅射、化学反应以及辅助能量离子(或电子)与模式转换等方式下，精确可控地除去衬底表面上一定深度的薄膜物质而留下不受影响的沟槽的一种加工过程，该过程通常为各向异性且按直线进行。在大规模集成电路制造中，等离子体刻蚀是一种常用的加工技术，它与平面曝光、等离子体化学沉积、掩模、清洗、聚合等技术一起被广泛用于微电子器件、薄膜、材料加工等方面。然而，为了获得具有规则形貌和取向的图形，以往的等离子体刻蚀工艺中都需要一个平面曝光后得到的光刻图形作为掩膜，才能获得规则的图形。这样就使得加工工艺更加复杂，并且成本较高。本发明不使用任何模板，直接在衬底上刻蚀出具有规则取向等离子刻蚀线，并且可以通过衬底的晶面取向调控刻蚀线的形貌和形成方向。本发明在微电子器件制造，材料微纳米结构调控与制备等方面具有重要应用前景，如刻蚀后的衬底可以作为诱导纳米线器件生长的模板，制备取向形貌可控的纳米材料等。
发明内容
本发明的目的是采用一种无模板制备规则图形的等离子体刻蚀方法，在衬底上直接刻蚀出具有规则形貌和取向的图形，并且抗日义通过衬底的晶面取向对图形的形貌和取向进行调控。而且本发明制备工艺十分简单，成本低廉，为实现大规模的工业生产提供了可能。
1、一种基于基底晶向调控制备规则图形的等离子体刻蚀方法，其特征在于：
(1)刻蚀装置包括真空腔体、升温装置与等离子发生系统。真空腔体为石英管等，离子体发生系统为靠近石英管进气端的绕在石英管外的铜线圈，通过加载射频电源对进入管中的气体进行等离子体化，等离子体产生中心区域距离进气口1/4管长位置；升温装置位于石英管出气端，加热区中心距离出气口1/4管长位置；基底放置加热区中，从而通过温度场与等离子能量梯度调控实现基底刻蚀作用；
(2)刻蚀腔体内真空度低于10Pa后，通入氮气在N2，气氛中升温到900-1100℃，通入氢气，调整N2和H2，流量比例为1:1至4:1，打开射频电源，将射频功率调到40-150W，电离N2和H2，对基底进行刻蚀，此时气压为30-100Pa，持续0.5-2个小时；
(3)刻蚀结束后，关闭射频与停止通入氢气，冷却到室温后即在基底上获得具有规则取向的刻蚀图形结构。
进一步，步骤(1)中根据基底的晶面取向的来调控所制备图形的结构形貌，选用不同取向基底，将获得不同取向的规则排列的刻蚀线条。
本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明利用简单的设备，不使用任何掩膜版，直接在硅衬底上可是出具有规则形貌的图形；
(2)在Si(100)衬底上，刻蚀线着两个方向生长，且这两个方向互相垂直；在Si(110)衬底上，刻蚀线只沿着一个方向生长；在Si(111)衬底上，刻蚀线沿着三个方向生长，任意两个方向的夹角为60°。
附图说明
图1为自搭建的管式炉示意图，是一套等离子体化学气象沉积(PECVD)系统，实验中我们不进行化学气相沉积，仅仅把硅衬底放置在石英管中，让等离子体对其进行轰击；
图2为实施例1中Si(100)衬底在等离子体刻蚀后的形貌，从图中我们可以看到在衬底表面上形成方向互相垂直的刻蚀线；
图3为实施例1中Si(100)衬底经等离子体刻蚀后，在40％HF酸溶液腐蚀30min后的形貌，从图中我们可以清晰的看到独立的，两个方向互相垂直的刻蚀线；
图4为实施例1中Si(100)衬底上刻蚀线的原子力显微镜(AFM)表征图，刻蚀线的深度达到几十个纳米，最深的地方达到100nm左右。
图5为实施例2中Si(110)衬底在等离子体刻蚀后的形貌，从图中我们可以看到在Si(110)衬底表面上，只有一个方向形成刻蚀线；
图6为实施例3中Si(111)衬底在等离子体刻蚀后的形貌，从图中我们可以看到在Si(111)衬底表面上，三个方向形成刻蚀线，并且任意两个方向的夹角为60°；
图7为实施例1、2、3中形成的刻蚀线的取向与衬底取向的关系图，(a)和(d)表明，在Si(100)衬底上，刻蚀线沿Si[011]和Si[0-11]方向；(b)和(e)表明，在Si(110)衬底上，刻蚀线只沿着Si[1-10]方向；(c)和(f)表明，在Si(111)衬底上，刻蚀线沿着Si[-101]，Si[1-10]和Si[0-11]方向。总而言之，在不同取向的硅衬底上，刻蚀线都是沿着Si<110>方向取向形成
具体实施方式：
下面通过实施例对本发明做进一步说明，本发明绝非局限于所陈述的实例。
实施例1：
(1)；把Si(100)衬底放入管式炉中；
(2)对管式炉进行抽真空，真空度小于10Pa后，通入N2，流量为20sccm；
(3)设定管式炉以10℃每分钟的升温速率，在N2气氛中升温到1000℃，
(4)温度达到1000℃后，通入H2，流量为10sccm，N2和H2流量比为2:1。
(5)打开射频电源，将射频功率调到60W，对气体进行放电，生成等离子体，此时气压在45Pa，持续1个小时；
(6)刻蚀1个小时后，关闭射频电源，关闭氢气，衬底在氮气气氛自然冷却到室温。
反应结束后，在衬底两个方向上形成规则的，独立的刻蚀线，并且这两个方向互相垂直，其SEM图见图2。
实施例2：
将衬底换为Si(110)衬底，步骤(5)持续2个小时；其余条件与实施例1一致，在衬底上制备出的只沿着一个方向的刻蚀线，其SEM图见图5.
实施例3：
将衬底换为Si(111)衬底，步骤(5)持续0.5个小时；其余条件与实施例1一致，在衬底上制备出的沿三个方向的刻蚀线，并且任意两个方向的夹角为60°，其SEM图见图6.
实施例4：
将温度升至900℃，其余条件与实施例1一致，在衬底上制备出的刻蚀线形貌与实施例1类似。
实施例5：
将温度升至1100℃，其余条件与实施例1一致，在衬底上制备出的刻蚀线形貌与实施例1类似。
实施例6：
将射频功率调整为40w，其余条件与实施例1一致，在衬底上制备出的刻蚀线形貌与实施例1类似。
实施例7：
将射频功率调整为150W，其余条件与实施例1一致，在衬底上制备出的刻蚀线形貌与实施例1类似。
实施例8：
将N2的速率调整为10sccm，此时N2和H2流量比为1:1，反应气压为30Pa，其余条件与实施例1一致，在衬底上制备出的刻蚀线形貌与实施例1类似。
实施例9：
将N2的速率调整为40sccm，此时N2和H2流量比为4:1，反应气压为100Pa，温度升至1000℃，其余条件与实施例1一致，在衬底上制备出的刻蚀线形貌与实施例1类似。
Claims (2)
1.一种基于基底晶向调控制备规则图形的等离子体刻蚀方法，其特征在于：
(1)刻蚀装置包括真空腔体、升温装置与等离子发生系统；真空腔体为石英管，等离子体发生系统为靠近石英管进气端的绕在石英管外的铜线圈，通过加载射频电源对进入管中的气体进行等离子体化，等离子体产生中心区域距离进气口1/4管长位置；升温装置位于石英管出气端，加热区中心距离出气口1/4管长位置；基底放置加热区中，从而通过温度场与等离子能量梯度调控实现基底刻蚀作用；
(2)刻蚀腔体内真空度低于10Pa后，通入氮气在N2，气氛中升温到900-1100℃，通入氢气，调整N2和H2，流量比例为1:1至4:1，打开射频电源，将射频功率调到40-150W，电离N2和H2，对基底进行刻蚀，此时气压为30-100Pa，持续0.5-2个小时；
(3)刻蚀结束后，关闭射频与停止通入氢气，冷却到室温后即在基底上获得具有规则取向的刻蚀图形结构。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中根据基底的晶面取向的来调控所制备图形的结构形貌，选用不同取向基底，将获得不同取向的规则排列的刻蚀线条。
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