干法刻蝕現已成為微小高深寬比結構加工與微細圖形制作的重要手段。提出了一種新的干法刻蝕技術-多層等離子體蝕刻, 充分利用腔體的空間布局, 布置多層電極, 并采用分層送氣裝置輸送放電氣體, 實現多層同時進行刻蝕, 可成倍提高產能。采用該技術刻蝕光阻為例, 從空間與時間兩個角度分析了工藝參數對刻蝕速率與均勻性的影響規律與作用機理。實驗結果表明, 極板間距為50/ 55/ 60 mm( 由下向上) , 工作壓力為40 Pa, R[ O2 : Ar] 為1/2, RF 功率為600W 時, 整爐次刻蝕速率均值為14.395 nm/ min, 均勻性為9.8%, 此時工藝最為合理。

　　隨著結構/ 零件與集成電路光電子元器件向微型化和高精密化方向發展, 對加工工藝的要求也越來越高。尤其是針對高深寬比結構的加工, 刻蝕技術作為一種有效的關鍵手段, 倍受國內外有關學者與研究機構的關注。其中, 相對于濕法刻蝕的毛細現象與各向同性機理， 干法刻蝕利用等離子體中的活性離子與離子團對材料進行蝕刻, 工藝參數控制較為靈活, 可實現線條的微細化加工, 并可獲得更高的刻蝕精度, 成為微細圖形加工與轉換的重要手段, 已做為微小結構/ 零件加工的重要手段。

　　隨著干法刻蝕技術的不斷發展與成熟, 現主要有反應離子刻蝕(RIE) 、感應耦合等離子體(ICP) 和磁增強反應離子刻蝕(MERIE) 技術等 。目前, 干法刻蝕的工藝研究僅局限于單層刻蝕機結構與工藝參數的影響, 例如氣體種類與氣流量、RF 功率、磁場強度等。但在實際的生產應用中,為了追求產能和生產效率, 單層的刻蝕機已經不能滿足需求。鑒于此, 真空技術網(http://smsksx.com/)認為提出了多層等離子體蝕刻(MPE) 技術, 充分合理地利用腔體的空間布局, 設置多層電極( 三層或三層以上) 結構, 提高了基片的裝載量。并以Ar/O2作為刻蝕氣體, 以光阻為蝕刻對象,從空間和時間兩個角度研究了工藝參數對刻蝕速率與均勻性的影響, 并從物理機制上做出分析, 探尋最優化的工藝方案, 為實際生產提供有力保障。

　　MPE 技術

　　該技術利用了腔體的空間布局, 布置多層電極( 三層或三層以上) , 采用分層送氣裝置, 將放電氣體分別輸送到各個反應空間內, 且將氣盤直接作為上電極板, 每層的氣盤通過電源匹配器, 同時與電源相連, 下電極板直接接地。通過氣體流量控制器選擇某種氣體或者混合氣體進入真空室內, 施加RF 功率后, 每層之間形成單獨的放電回路, 同時產生等離子體, 在電勢差的作用下, 活性離子及離子團實現對基片的刻蝕, 原理如圖1 所示。該技術的優點主要包括兩個方面: 一是在充分利用腔體空間的基礎上,成倍地提高了產能; 二是以往RIE 技術, 反應氣體由單一管道直接通入真空室, 致使氣體在整個腔室內分布不均勻, 該技術采用分層送氣裝置輸送至各反應電極板之間, 極大地提高了刻蝕均勻性。

圖1 MPE 技術示意圖

　　本文提出了一種新型的干法刻蝕技術-MPE技術。該技術利用腔體的空間布局, 布置多層電極(三層或三層以上) , 采用分層送氣裝置, 將放電氣體分別輸送到各個反應腔體內, 且將氣盤直接作為上電極板, 多層氣盤通過電源匹配器, 同時與電源相連, 下電極板直接接地, 通電后實現對基片的蝕刻。

　　該技術在原有單層刻蝕機的基礎上, 成倍增加了基片的裝載量, 尤其在實際生產中, 大大提高了產能,具有寬廣的應用前景。

　　本文以GaN 材料為基片, 光阻為蝕刻對象, Ar/O2 為刻蝕氣體, 從空間( 極板間距, RF 功率, 工作壓力與Ar 氣流量) 和時間( 刻蝕時間) 兩個角度, 分析了不同工藝參數下, 刻蝕速率與均勻性的變化趨勢與規律, 得出最優工藝條件為: 極板間距為50/ 55/ 60mm( 由下向上) ; 工作壓力為40 Pa; O2/Ar 比為1/ 2;RF 功率為600W; 持續刻蝕時間為20 min。此時, 根據公式(1) 可得, 整爐次刻蝕速率可達14.395 nm/min, 均勻性為9.8%。