光子晶體用硅中圓柱形納米孔的深反應(yīng)離子蝕刻

引言

反應(yīng)離子蝕刻 (RIE)是一種干法蝕刻工藝，與半導(dǎo)體工業(yè)中使用的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)方法兼容。在不希望濕法蝕刻造成金屬污染或濕法蝕刻無(wú)法提供所需方向性的情況下，RIE通常用于從基板上去除硅。RIE使用與硅反應(yīng)形成揮發(fā)性物質(zhì)的活性氣體，揮發(fā)性物質(zhì)被抽走，從而去除硅。該反應(yīng)是準(zhǔn)各向同性的，因?yàn)楣璧娜コǔＴ谒蟹较驇缀蹙鹊匕l(fā)生。由于在創(chuàng)建納米孔或溝槽等高縱橫比結(jié)構(gòu)時(shí)不希望出現(xiàn)各向同性，因此需要額外的步驟來(lái)使蝕刻工藝各向異性。

實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試不同的蝕刻參數(shù)，蝕刻和分析了所謂的“easycleave”結(jié)構(gòu)。如圖1所示，Easycleave 是一塊1 cm x 2 cm 的硅晶片，帶有50 nm 厚的帶有孔陣列的鉻蝕刻掩模。孔徑在原始晶格的軸之間以84.5°的角度排列。這種非 90° 角確保沿著晶圓晶面的切割總是會(huì)穿過(guò)一些孔隙，因此得名 easycleave。蝕刻掩模由11種不同直徑的圓形孔陣列組成。對(duì)于每個(gè)直徑，最多有7個(gè)不同孔間距的陣列。因此，easycleave掩模提供了廣泛的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)嚴(yán)格測(cè)試蝕刻程序和參數(shù)。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

圖1。一個(gè)易切割樣品的掃描電鏡圖像

由于蝕刻儀器專(zhuān)為使用4英寸晶圓而設(shè)計(jì)，因此有必要使用載體晶圓來(lái)固定易切割樣品。載體晶圓（110，p摻雜硅，4 英寸，500 nm厚）涂有一層正光刻膠，該光刻膠以4000 rpm 的速度旋涂，并在 120 °C 下硬烘烤10分鐘。光致抗蝕劑可防止載體晶圓被蝕刻，從而避免因高硅負(fù)載而產(chǎn)生的不必要的蝕刻現(xiàn)象，并確保晶圓的可重復(fù)使用性。

結(jié)果和討論

如圖2(a)和3所示，孔變寬發(fā)生在納米孔長(zhǎng)度的中間部分，并且可能發(fā)生在沒(méi)有掩模底切或錐形的納米孔中。在較寬的納米孔中，例如 500 nm 直徑，這種現(xiàn)象主要表現(xiàn)為孔中間部分的粗糙外觀，如圖2(a) 中突出顯示的那樣。在較小直徑的納米孔中，這種粗糙度使孔的中間部分變寬，直徑大于掩模的直徑。這種粗糙度和加寬僅影響納米孔的中間部分。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

在整個(gè)研究中觀察到的所有情況下，扇貝都可以在孔的底部看到，并且通常直徑已經(jīng)恢復(fù)到面具的直徑甚至更小。為了闡明在蝕刻過(guò)程中何時(shí)開(kāi)始形成這種粗糙度，循環(huán)數(shù)從N= 200 逐漸減少，其中粗糙度在10到12個(gè)扇貝后開(kāi)始，減少到N= 50。即使通過(guò)N= 50個(gè)循環(huán)，在10到12個(gè)扇貝之后，粗糙度遮蓋了扇貝。這表明粗糙度不僅是由創(chuàng)建高縱橫比結(jié)構(gòu)所需的較長(zhǎng)蝕刻時(shí)間引起的偽影，而且在蝕刻過(guò)程中相對(duì)較早地出現(xiàn)。

圖2。(a)對(duì)d = 360 nm掩模直徑的掃描電鏡圖像,(b)用d = 360 nm掩模直徑測(cè)量的孔隙圖像。

圖3 納米孔的直徑d與納米孔內(nèi)的深度x的μm相比

結(jié)論

在這項(xiàng)工作中，研究并優(yōu)化了蝕刻工藝以在硅中蝕刻圓柱形納米孔，直徑在280和500 nm之間，深度約為7 μ m，這些樣品非常適合用于實(shí)現(xiàn)硅納米光子學(xué)的納米結(jié)構(gòu)。

與完美圓柱體的剩余偏差在公差范圍內(nèi)以創(chuàng)建具有高反射率和明確定義的光子帶隙的光子晶體。稍短的長(zhǎng)度對(duì)于我們的應(yīng)用來(lái)說(shuō)仍然足夠，并且可以通過(guò)增加循環(huán)次數(shù)來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)，盡管這樣做需要進(jìn)一步優(yōu)化。目前的優(yōu)化是通過(guò)操縱多個(gè)蝕刻參數(shù)并將2步工藝轉(zhuǎn)移到3步DREM Bosch工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在未來(lái)的工作中，可以通過(guò)使用對(duì)硅具有化學(xué)惰性的氣體（例如氬氣）來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)三步法，以確保去除碳氟化合物，但不會(huì)對(duì)硅進(jìn)行化學(xué)蝕刻，從而真正分離去除和蝕刻步驟。以指數(shù)方式而不是線性方式調(diào)整參數(shù)的能力也會(huì)提供更多的自由度。我們預(yù)見(jiàn)到轉(zhuǎn)向4步DREAM（存款、移除)添加氧等離子體步驟以通過(guò)形成氧化硅層進(jìn)一步保護(hù)壁，還可以提供更多途徑來(lái)進(jìn)一步改善和擴(kuò)展納米結(jié)構(gòu)的 RIE。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司主要從事濕法制程設(shè)備，晶圓清潔設(shè)備，RCA清洗機(jī)，KOH腐殖清洗機(jī)等設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)。

審核編輯黃宇