碳化硅（SiC）作為一種高性能材料，在大功率器件、高溫器件和發(fā)光二極管等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
其中，基于等離子體的干法蝕刻在SiC的圖案化及電子器件制造中起到了關(guān)鍵作用，現(xiàn)分述如下:
·干法蝕刻概述
·碳化硅反應(yīng)離子蝕刻
·碳化硅反應(yīng)離子蝕刻案例
·ICP的應(yīng)用與優(yōu)化
01、干法蝕刻概述
干法蝕刻的重要性
精確控制線寬：當(dāng)器件尺寸進(jìn)入亞微米級(jí)（<1μm）時(shí)，等離子體蝕刻因其相對(duì)各向異性的特性，能夠精確地控制線寬，成為SiC蝕刻的首選方法。
化學(xué)穩(wěn)定性挑戰(zhàn)：SiC的化學(xué)穩(wěn)定性極高（Si-C鍵合強(qiáng)度大），使得濕法蝕刻變得困難。濕法蝕刻通常需要在高溫或特定條件下進(jìn)行，且線寬控制難度大。因此，干法蝕刻成為解決這一問(wèn)題的有效途徑。
干法蝕刻的主要方法
反應(yīng)離子蝕刻（RIE）是SiC干法蝕刻的主要方法。它通過(guò)物理濺射和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的方式去除SiC材料。
物理濺射：利用等離子體發(fā)射的高能粒子轟擊SiC表面，實(shí)現(xiàn)材料的物理去除。
化學(xué)腐蝕：等離子體中的活性化學(xué)物質(zhì)與SiC表面物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，促進(jìn)材料的化學(xué)去除。
RIE蝕刻的工藝特點(diǎn)
氟基等離子體：氟基RIE蝕刻可以實(shí)現(xiàn)高蝕刻速率（100~1000?/min）和高度的各向異性，適用于亞微米尺寸的圖案化。
氣體組合：六氟化硫和氧氣是研究最多的氣體組合，廣泛用于SiC蝕刻。但金屬掩模會(huì)產(chǎn)生微掩蔽問(wèn)題，導(dǎo)致蝕刻表面產(chǎn)生草狀結(jié)構(gòu)。
掩模材料：為了消除金屬顆粒的影響，研究使用了基于氯和溴的化學(xué)反應(yīng)物，但這些反應(yīng)物的蝕刻速率較慢。使用CMOS工藝兼容的掩模材料（如二氧化硅和氮化硅）是未來(lái)的研究方向。
RIE蝕刻的挑戰(zhàn)與解決方案
殘留物問(wèn)題：長(zhǎng)時(shí)間蝕刻后，SiC表面容易形成殘留物，導(dǎo)致表面粗糙。這可能是由于商用RIE系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于大尺寸硅晶片，而非小尺寸的SiC襯底所致。
解決方案：優(yōu)化RIE工藝參數(shù)，如氣體流量、蝕刻時(shí)間和等離子體功率等，以減少殘留物的生成。同時(shí)，開(kāi)發(fā)適用于小尺寸SiC襯底的專用RIE系統(tǒng)也是解決這一問(wèn)題的有效途徑。
反應(yīng)腔類型的影響
選擇合適的反應(yīng)腔類型和操作條件對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳化硅蝕刻的高速率、高選擇性以及獲得垂直側(cè)壁和光滑表面至關(guān)重要。
常規(guī)反應(yīng)離子蝕刻系統(tǒng)：使用兩個(gè)平行板和射頻等離子體發(fā)生器的常規(guī)反應(yīng)離子蝕刻系統(tǒng)通常具有低等離子體密度和高能量物質(zhì)。在這種反應(yīng)腔中，對(duì)碳化硅的蝕刻主要通過(guò)物理濺射進(jìn)行，這可能導(dǎo)致蝕刻表面粗糙，并且對(duì)常用掩模材料的選擇性較低。
高密度低壓等離子體蝕刻反應(yīng)腔：為了克服常規(guī)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，大多數(shù)碳化硅蝕刻采用高密度低壓等離子體蝕刻反應(yīng)腔。這種反應(yīng)腔能夠產(chǎn)生高密度的等離子體，同時(shí)在較低的壓力下操作，從而減少了離子散射，降低了各向異性的橫向蝕刻速率，有利于獲得垂直側(cè)壁和光滑表面。
02、碳化硅反應(yīng)離子蝕刻
碳化硅的反應(yīng)離子蝕刻涉及物理和化學(xué)過(guò)程的結(jié)合。等離子體放電期間產(chǎn)生的帶電粒子、光子和中性粒子等，通過(guò)物理濺射和化學(xué)蝕刻機(jī)制去除材料。主要機(jī)理取決于反應(yīng)副產(chǎn)物的活性和離子化物質(zhì)的能量。
等離子體蝕刻分類
根據(jù)原料氣體、等離子體壓力和樣品偏置電極的連接方式，等離子體蝕刻可分為四類：濺射、等離子體化學(xué)蝕刻、離子增強(qiáng)化學(xué)蝕刻和緩蝕劑控制的化學(xué)蝕刻。反應(yīng)離子蝕刻通常包含后兩類過(guò)程，允許在蝕刻速率和各向異性之間進(jìn)行權(quán)衡。
氧氣的影響
氧原子與不飽和氟化物反應(yīng)，生成活性氟原子，同時(shí)消耗聚合物；
氧氣使硅表面更像“氧化物”，減少蝕刻位點(diǎn)，降低蝕刻速率；
氧氣作為添加劑稀釋含氟氣體，進(jìn)一步降低蝕刻速率；
在碳化硅蝕刻中，隨著氧氣百分比的增加，蝕刻速率通常降低。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)碳氧反應(yīng)去除碳的效率可能低于通過(guò)碳氟反應(yīng)。在低氧氣百分比條件下，可獲得最高的3C-SiC蝕刻速率。
F/C比對(duì)蝕刻效果的影響
在硅蝕刻中，F(xiàn)/C比（氟原子與來(lái)自氣相蝕刻劑的碳原子的比例）是影響蝕刻的關(guān)鍵因素。高F/C比的氣體可獲得高蝕刻速率，而低F/C比可能導(dǎo)致聚合物沉積，形成錐形蝕刻輪廓。
碳化硅蝕刻的特殊性
與硅蝕刻相比，碳化硅蝕刻具有以下特點(diǎn)：
利用石墨薄片可獲得高度各向異性的蝕刻輪廓；
碳化硅本身提供碳，增強(qiáng)聚合物形成，防止側(cè)壁被蝕刻；
目前研究的氟化氣體均不能在碳化硅蝕刻中產(chǎn)生咬邊輪廓。
高能離子通量的影響
在純化學(xué)等離子體蝕刻工藝中，高能離子通量對(duì)蝕刻效果也有重要影響。因此，在設(shè)計(jì)和優(yōu)化碳化硅反應(yīng)離子蝕刻工藝時(shí)，需要綜合考慮氣體組成、壓力、功率和離子通量等因素。
03、碳化硅反應(yīng)離子蝕刻案例
實(shí)驗(yàn)設(shè)置
樣品與電極：實(shí)驗(yàn)中使用3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC樣品，置于裸露或石墨覆蓋的鋁電極上進(jìn)行反應(yīng)離子蝕刻。
氣體混合物：研究CF4/CHF3、NF3/CHF3、SF6/CHF3以及NF3/SF6等雙氟化氣體混合物對(duì)碳化硅蝕刻的影響。
蝕刻特性
蝕刻速率：3C-SiC通常具有比6H-SiC更高的蝕刻速率，部分歸因于其較高的缺陷密度；在雙氟化氣體混合物中，碳化硅的蝕刻速率通常隨CHF3百分比的增加而降低純NF3、CF4或SF6氣體中可獲得6H-SiC的最高蝕刻速率。
無(wú)殘留蝕刻：純CHF3可產(chǎn)生無(wú)殘留的蝕刻表面，但蝕刻速率較低；通過(guò)調(diào)整雙氟化氣體混合物的比例，可獲得既高蝕刻速率又無(wú)殘留的實(shí)驗(yàn)條件。
直流偏壓：較高的直流偏壓不一定導(dǎo)致較高的蝕刻速率，蝕刻速率與所施加的直流偏壓不具有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，但一定程度的偏壓是物理或化學(xué)蝕刻碳化硅所必需的。
實(shí)驗(yàn)改進(jìn)
石墨覆蓋：在鋁電極和樣品之間使用石墨覆蓋，以提高碳化硅的蝕刻速率，并防止產(chǎn)生殘留物。
參數(shù)優(yōu)化：通過(guò)增大射頻功率和流速，改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)蝕刻參數(shù)，發(fā)現(xiàn)了多種使蝕刻速率大于500?/min的條件。
結(jié)論
雙氟化氣體混合物為碳化硅反應(yīng)離子蝕刻提供了多種可能性，通過(guò)調(diào)整氣體比例、直流偏壓、射頻功率和流速等參數(shù)，可獲得既高蝕刻速率又無(wú)殘留的實(shí)驗(yàn)條件。
石墨覆蓋的鋁電極有助于進(jìn)一步提高蝕刻速率，并防止產(chǎn)生殘留物；碳化硅的蝕刻速率與所施加的直流偏壓不具有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，但一定程度的偏壓是必需的；通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，碳化硅反應(yīng)離子蝕刻的蝕刻速率可達(dá)到相當(dāng)高的水平。
04、ICP的應(yīng)用與優(yōu)化
碳化硅（SiC）因其優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，在電子應(yīng)用、傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）以及極高壓功率器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，為了實(shí)現(xiàn)這些先進(jìn)結(jié)構(gòu)，需要高效的深蝕刻技術(shù)。電感耦合等離子體（ICP）蝕刻作為一種高密度等離子體干蝕刻技術(shù)，能夠滿足碳化硅深蝕刻的需求，實(shí)現(xiàn)無(wú)殘留且高蝕刻速率的加工。
ICP蝕刻的基本原理與特點(diǎn)
ICP蝕刻利用高頻電磁場(chǎng)在反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生高密度等離子體，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)（如ICP線圈功率、壓板功率、工作壓力等）來(lái)控制離子的能量和方向性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)碳化硅材料的高效蝕刻。與常規(guī)平行板反應(yīng)離子蝕刻相比，ICP蝕刻具有更高的離子通量和更靈活的工藝參數(shù)調(diào)整范圍。
ICP蝕刻中的溝槽效應(yīng)與挑戰(zhàn)
盡管ICP蝕刻具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在碳化硅加工過(guò)程中仍面臨溝槽效應(yīng)等挑戰(zhàn)。溝槽效應(yīng)是由于離子反射和電荷效應(yīng)導(dǎo)致的襯底表面不均勻蝕刻現(xiàn)象，可能對(duì)器件的制造和可靠性造成潛在危害。研究表明，添加氧氣氣體時(shí)會(huì)增強(qiáng)溝槽效應(yīng)，因?yàn)闀?huì)形成鈍化層SiFxOy。
工藝參數(shù)對(duì)ICP蝕刻的影響與優(yōu)化
壓板功率：隨著壓板功率的增大，離子轟擊能量增加，有助于提高碳化硅的蝕刻速率和改善物理蝕刻機(jī)制。然而，高的壓板功率會(huì)導(dǎo)致掩模濺射增加，降低Ni/SiC的選擇性。
ICP線圈功率：增加ICP線圈功率會(huì)增強(qiáng)化合物的解離以及氟自由基和離子的產(chǎn)生，提高表面化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，從而提高蝕刻速率。但同時(shí)，活性離子含量的增加會(huì)導(dǎo)致更高的離子注量轟擊襯底，降低直流偏壓和離子轟擊能量。因此，需要平衡ICP線圈功率對(duì)等離子體性能和蝕刻速率的影響。
工作壓力：離子的平均自由程和平均壽命隨著壓力的增加而下降，導(dǎo)致離子含量降低和直流偏壓增加。蝕刻速率隨壓力的增加而降低的現(xiàn)象可以通過(guò)入射離子方向性的降低來(lái)解釋。通過(guò)調(diào)整工作壓力，可以控制微溝槽蝕刻的深度和側(cè)壁坡度。
優(yōu)化工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)高效蝕刻
使用低的壓板功率來(lái)減少鎳的濺射量，同時(shí)使用高的ICP線圈功率和低壓力（8mTor）來(lái)確保高蝕刻速率和避免微溝槽效應(yīng)。
通過(guò)這種方法，獲得了940nm/min的蝕刻速率，Ni/SiC的選擇比在60左右，輪廓角為83°左右。（來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事）
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