CN1560657A - 利用复合掩膜进行反应离子深刻蚀二氧化硅的方法 - Google Patents
利用复合掩膜进行反应离子深刻蚀二氧化硅的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明采用金属膜层和光刻胶层相结合的复合掩膜技术，实现对二氧化硅的深刻蚀工艺，属于光通讯领域以及半导体领域。本发明利用光刻胶在反应离子刻蚀过程中不易产生附着颗粒，以及Cr、Al、Ni等金属掩膜在含F等离子体刻蚀二氧化硅的时候刻蚀选择比高的特点。解决了以金属膜为刻蚀掩膜时，刻蚀表面粗糙、射频偏压不能过高、刻蚀速率不快的缺陷，同时可以避免单纯以光刻胶为掩膜侧壁顶角钝化产生的负面影响。本复合掩膜的另外一个特点是所需要的金属膜以及光刻胶厚度比单纯以金属膜或光刻胶作掩膜时所需要的厚度都要少，可以减小成膜工艺和光刻工艺的难度以及工艺成本，提高光刻成品率和最小图形分辨率，而且实现简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用复合掩膜进行反应离子深刻蚀二氧化硅的方法，具体的说，涉及一种利用抗刻蚀金属膜和厚光刻胶相结合构成的复合掩膜，用于二氧化硅的反应等离子刻蚀工艺中，制作二氧化硅平面光波导器件。
背景技术
平面光波导技术由于能够实现光集成、光电混合集成、小型化以及批量生产等分离器件无法达到的优势，自出现以来一直被人们认为是光通信器件的发展方向，是光通信器件行业的一个研究的热点。硅基二氧化硅波导由于其和ITU-T标准单模光纤能够很好的实现模式匹配，并且其制作工艺可以借鉴相对成熟的集成电路半导体工艺，二者工艺有相通之处。
通常以反应等离子体技术为基础的干法刻蚀是实现二氧化硅波导刻蚀的方法，以等离子体产生方式的不同，反应等离子体刻蚀技术基本可分为反应离子刻蚀、电子回旋谐振等离子体刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀三大类。由于后二种类型的刻蚀设备结构复杂，成本高，在工业中得到实际应用只是近几年的事情，而且应用并不普遍。在众多实验室和生产线上反应离子刻蚀设备依然是目前最主要的刻蚀设备，因此怎样利用反应离子刻蚀设备实现二氧化硅波导结构的刻蚀，具有十分重要的实际意义和运用价值。
反应离子刻蚀技术的特点是射频偏压高，工作压强高，在刻蚀过程中会产生强烈的物理溅射作用，容易造成刻蚀掩膜的抗刻蚀能力降低，具体表现为其一是刻蚀掩膜线条侧壁顶角的钝化造成刻蚀结构侧壁垂直性下降，其二是刻蚀掩膜被离子溅射形成颗粒溅落到刻蚀区域产生微掩膜导致刻蚀表面粗糙。这些现象都将造成光波导传输性能的严重劣化，选择合适的掩膜是解决这些问题的关键。目前反应离子刻蚀二氧化硅所采用的掩膜可分为金属膜、介质膜、有机膜等三种，其工艺特点如下：
1.采用金属膜为掩膜进行二氧化硅刻蚀时，其工艺过程为：
(1)在波导层表面沉积一层金属膜；
(2)匀胶光刻制作波导图形；
(3)刻蚀金属膜复制波导图形到金属膜层；
(4)去光刻胶；
(5)以金属膜为掩膜刻蚀二氧化硅波导层；
(6)去残留金属膜层。
在有的工艺流程中也可以不去胶，即没有第(4)步，在金属膜上得到图形后接着进行第(5)步，如US patent 6177290所述，但在此专利中光刻胶是在第(5)步的过程中就被刻蚀掉的，另外如US patent 6051346也同样属于金属膜直接暴露在等离子体刻蚀的气氛中。此时在反应离子刻蚀二氧化硅射频偏压较高的情况下，金属膜容易被溅射产生微小颗粒导致刻蚀表面粗糙。为了减少表面粗糙的产生，目前的办法只有减小射频偏压，以牺牲刻蚀速率和刻蚀效率为代价来换取刻蚀表面粗糙度的降低。
2.采用介质膜为掩膜进行二氧化硅刻蚀时，其工艺过程为：
(1)在波导层表面沉积一层介质膜，如非晶硅膜、多晶硅膜、氮化硅膜；
(2)匀胶光刻制作波导图形；
(3)刻蚀介质膜复制波导图形到介质膜层；
(4)去光刻胶；
(5)以介质膜为掩膜刻蚀二氧化硅波导层；
(6)去残留的介质膜层。
在反应离子刻蚀二氧化硅时，由于介质膜抗刻蚀能力低，其线条侧壁顶角由于受到多个方向高能量带电离子的轰击和反应粒子的作用，会出现钝化现象，随着刻蚀深度的增加这种钝化现象将越来越严重、越来越明显，最终将导致二氧化硅波导刻蚀侧壁顶角钝化，刻蚀垂直性下降，线条宽度变窄，波导侧壁粗糙等结果。为了提高刻蚀侧壁的垂直性，目前的办法为增加刻蚀掩膜的厚度，使掩膜线条边缘的钝化对波导层的刻蚀侧壁产生劣化之前结束刻蚀，这样只有部分厚度的介质膜可以作为刻蚀掩膜，而产生钝化的这部分介质膜就不能被利用作为继续刻蚀的掩膜。
3.采用有机膜为掩膜进行二氧化硅刻蚀时，最常见的情况是直接以光刻胶作为二氧化硅刻蚀的掩膜，其工艺过程为：
(1)匀胶光刻制作波导图形；
(2)以光刻胶为掩膜刻蚀二氧化硅波导层；
(3)去残留的光刻胶膜层。
由于有机膜材料的抗刻蚀能力同样很差，其刻蚀结果和以介质膜为刻蚀掩膜时类似，同样存在有机膜线条侧壁顶角易被攻击钝化的问题，只有增加有机膜的厚度才能避免刻蚀侧壁顶角的钝化，刻蚀垂直性的降低，线条宽度变窄，波导侧壁粗糙等结果。同样只有部分厚度的有机膜可以作为刻蚀掩膜，而产生钝化的这部分有机膜就不能被利用作为继续刻蚀的掩膜。
发明内容
发明目的是克服现有技术中存在的问题和不足，而提出一种利用复合掩膜进行反应离子深刻蚀二氧化硅的方法，该方法解决了以金属膜为刻蚀掩膜时，刻蚀表面粗糙、射频偏压不能过高、刻蚀速率不快的缺陷；避免单纯以光刻胶为掩膜侧壁顶角钝化产生的负面影响；在刻蚀相同深度的前提下，所需要的光刻胶厚度可大为减少，降低了光刻工艺的难度，提高了光刻成品率和最小图形分辨率；并且该方法简单易实现。
本发明的技术方案是：本发明一种利用复合掩膜进行反应离子深刻蚀二氧化硅的方法，该方法包括以下步骤：
(1)在二氧化硅波导层表面沉积一层金属膜；金属膜的厚度为500至2000；
(2)在金属膜的表面旋覆光刻胶，经过光刻工艺得到光刻胶图形，光刻胶的厚度在0.2微米至20微米之间；
(3)对金属层刻蚀，把光刻胶图形复制到金属膜，光刻胶层继续保留在样片表面，与抗刻蚀金属膜层结合构成复合掩膜层；
(4)将样片放入反应离子刻蚀机的刻蚀腔体进行二氧化硅波导的刻蚀，二氧化硅的刻蚀气体为含F等离子体，刻蚀射频偏压在50V～1200V之间，刻蚀工作压强在2mtorr～300mtorr之间，刻蚀速率大于40nm/min，刻蚀侧壁和刻蚀底面的夹角为90°±1°；
(5)二氧化硅刻蚀深度在6微米至30微米之间，或在光刻胶未被完全刻蚀或刚好刻蚀掉时，结束刻蚀；
所述的金属膜2是一种高刻蚀选择比金属构成的金属膜或者是高刻蚀选择比金属材料任意组合复合形成的金属膜，金属膜的刻蚀选择比在30∶1至300∶1之间；金属膜优选Cr、Al、Au、Ni膜。
复合掩膜层除金属膜层上覆光刻胶层外，还可在金属膜层上覆介质膜层或有机聚合物膜层然后再上覆光刻胶层组成复合掩膜层。
本发明的复合掩膜层除用于反应离子刻蚀RIE工艺以外，同样适用于电子回旋谐振等离子体刻蚀(ECR)工艺以及感应耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺。
本发明具有以下突出优点和积极效果：
①解决了以金属膜为刻蚀掩膜时，刻蚀表面粗糙、射频偏压不能过高、刻蚀速率不快的缺陷；
②免单纯以光刻胶为掩膜侧壁顶角钝化产生的负面影响；
③在刻蚀相同深度的前提下，所需要的光刻胶厚度可大为减少，降低了光刻工艺的难度，提高了光刻成品率和最小图形分辨率；
④方法简单易实现。
下表为以不同掩膜进行二氧化硅波导刻蚀时的材料要求和刻蚀效果对比。
| 掩膜种类 | 金属掩膜 | 介质掩膜 | 有机物掩膜 | 本发明掩膜 |
| 掩膜厚度要求 | ～200nm | ～2um | ～3um | 底层～100nm上层～1.5um |
| 刻蚀底面状态 | 粗糙 | 光滑 | 光滑 | 光滑 |
| 允许刻蚀速率 | 低 | 高 | 高 | 高 |
| 刻蚀垂直度 | 高 | 低 | 低 | 高 |
附图说明
图1复合掩膜结构示意图；
图2是反应离子刻蚀模型的示意图；
图3是刻蚀样片光刻胶图形侧壁在刻蚀过程中完全钝化的示意图；
图4是刻蚀样片光刻胶图形侧壁完全钝化后继续刻蚀的示意图；
图5是去除残留掩膜后的刻蚀样片的示意图；
图6是以本发明的金属膜上覆光刻胶的复合掩膜技术进行反应离子刻蚀后去除残留掩膜前的SEM照片，照片上的倾斜顶部为在刻蚀过程中钝化的残留掩膜；
图7是以本发明的金属膜上覆光刻胶的复合掩膜技术进行反应离子刻蚀并去除残留掩膜后二氧化硅波导的SEM照片。
具体实施方式
本技术方案的具体实施过程结合附图进一步说明：
1、在依次沉积了二氧化硅波导下包层和芯层的样片上沉积一层金属膜，金属膜的厚度1500埃；金属膜选用Cr、Al、Au、Ni组合形成的复合金属膜。
2、在金属膜上进行标准的光刻工艺，把掩膜版上的波导图形复制到光刻胶上；
3、刻蚀金属膜，刻蚀方式可以是以化学腐蚀液腐蚀，也可以是等离子体刻蚀，如Cl2/O2，BCl3/O2等离子体系统，图1是刻蚀金属膜后得到的复合掩膜结构示意图，图中1为二氧化硅波导芯层，2为金属膜层，3为光刻胶层；
4、把样片放入反应离子刻蚀腔体，刻蚀二氧化硅，如CHF3/O2/Ar，CF4/O2/Ar，C4F8/O2/Ar等，刻蚀偏置电压50V～1200V，工作压强2mtorr～300mtorr，二氧化硅刻蚀速率大于40nm/min，二氧化硅刻蚀速率和金属膜刻蚀速率之比在30∶1至300∶1之间，刻蚀深度在6微米至30微米之间。
5、刻蚀过程如图2～图4所示，图中4为SiO2的刻蚀结构，5为光刻胶的顶角钝化，6为等离子体中的高能量带电离子，7为等离子体中的反应粒子，8为光刻胶完全钝化后起到抗刻蚀作用的金属膜边缘；随着二氧化硅刻蚀深度的增加，光刻胶掩膜边缘的钝化越来越明显，如果是单纯以光刻胶为掩膜时，二氧化硅将在如图3所示光刻胶完全钝化后刻蚀侧壁出现倾斜，而采用复合掩膜将阻止这种倾斜的发生；
6、在光刻胶即将被完全刻蚀掉之前结束样片的刻蚀，图6为去除残留掩膜前的SEM照片，照片上的倾斜顶部为在刻蚀过程中钝化的残留掩膜；
7、用O2等离子体或者丙酮去掉残留的光刻胶；
8、用化学腐蚀液腐蚀掉二氧化硅波导表面的金属膜。如图5所示，为去掉所有残留复合掩膜的二氧化硅波导结构示意图，图7为去除残留复合掩膜后二氧化硅波导的SEM照片。
本发明是利用了光刻胶在反应离子刻蚀过程中不会产生附着颗粒的优点，从而可以保证在刻蚀的过程中不会出现微掩膜导致刻蚀区域在随后的刻蚀中形成突起的现象；同时本发明还利用了Cr、Al、Au、Ni等金属掩膜在含F等离子体刻蚀二氧化硅的时候刻蚀选择比高的优点，可以很好的阻止光刻胶在刻蚀过程中侧壁钝化后向二氧化硅刻蚀层的结构转移，从而保证了刻蚀侧壁的垂直和光滑；本复合掩膜的另外一个特点是所需要的金属膜厚度比单纯以金属膜作掩膜所需要的厚度要少，所需要的光刻胶厚度比单纯以光刻胶作掩膜所需要的厚度也要少，从而可以大大减小成膜和光刻工艺的难度以及工艺成本。
Claims (8)
1、一种利用复合掩膜进行反应离子深刻蚀二氧化硅的方法，该方法包括以下步骤：
(1)在二氧化硅波导层表面沉积一层金属膜；
(2)在金属膜的表面旋覆光刻胶，经过光刻工艺得到光刻胶图形；
(3)对金属层刻蚀，把光刻胶图形复制到金属膜，光刻胶层继续保留在样片表面，与抗刻蚀金属膜层结合构成复合掩膜层；
(4)将样片放入反应离子刻蚀机的刻蚀腔体进行二氧化硅波导的刻蚀；
(5)二氧化硅刻蚀深度6微米至30微米之间，或在光刻胶未被完全刻蚀或刚好刻蚀掉时，结束刻蚀。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：上述第(2)、(3)步骤中的复合掩膜层的形成可采用在金属膜层上覆介质膜层或有机聚合物膜层，然后再上覆光刻胶层。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：上述第(4)步骤中可采用将样片放入电子回旋谐振等离子体刻蚀机或感应耦合等离子体刻蚀机的腔体进行二氧化硅波导的刻蚀。
4、根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：所述的金属膜是一种高刻蚀选择比金属构成的金属膜或者是高刻蚀选择比金属材料任意组合复合形成的金属膜，其中金属膜的刻蚀选择比在30∶1至300∶1之间。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述金属膜优选为Cr、Al、Au、Ni膜。
6、根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：二氧化硅的刻蚀气体为含F等离子体，刻蚀射频偏压在50V～1200V之间，刻蚀工作压强在2mtorr～300mtorr之间，刻蚀速率大于40nm/min。
7、根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：所述金属膜的厚度为500至2000。
8、根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：所述光刻胶的厚度在0.2微米至20微米之间。
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