工藝參數對類金剛石薄膜刻蝕速率的影響
圖3 所示不同刻蝕時間與刻蝕速率的關系,從圖上可看出,各時間段內的平均刻蝕速率都在0.08μm·min-1左右,變化不大。說明ECR微波反應離子刻蝕類金剛石薄膜具有較高的刻蝕速率,且能夠長時間穩定運行,所以用ECR 微波反應離子刻蝕設備研究類金剛石薄膜刻蝕規律是極好的選擇。
圖3 刻蝕率與刻蝕時間的關系
圖4 所示有無Al掩膜對刻蝕速率的影響。有Al掩膜的樣品是圖2工藝中第5步樣品,即在鍍有類金剛石薄膜的硅片上再濺射一層Al膜,經光刻、去膠、化學腐蝕,使Al 膜形成要刻的微結構,其下面的類金剛石薄膜完好無損。無鋁掩膜的樣品是圖2工藝中第2 步樣品,即在硅片上只鍍有類金剛石薄膜。從圖4上可看出,有無鋁掩膜的刻蝕速率曲線基本完全重合。說明在相同條件下,有無鋁掩膜對刻蝕速率影響不大,因為在類金剛石薄膜上濺射的Al掩膜很薄,只有幾十個納米厚,在刻蝕時陰影效應很弱,可以忽略不計。在研究類金剛石薄膜刻蝕規律時,完全可以用沒掩膜的樣品代替有掩膜的樣品,這樣即簡化工藝又降低了實驗成本。
圖4 有鋁和無鋁掩膜的刻蝕率曲線
圖5是Ar/O2體積混合比與刻蝕速率的規律曲線。刻蝕條件:工作氣壓為919 ×10-2Pa ,偏壓為-90V,氣體總流量為4sccm ,微波源電流80mA,時間為1h。從圖5中可看出,當氣體流量不變時,隨著Ar氣體積百分含量的增大,刻蝕速率逐漸下降。因為類金剛石薄膜的主要成分是C 和H ,易與氧離子和活性氧原子發生反應,生成CO、CO2 和H2O。Ar氣是惰性氣體,不與類金剛石薄膜發生化學反應。
圖5 Ar/O2比與刻蝕速率的關系
加在基底上的偏壓比較低,所以給氬離子的加速電壓比較小,氬離子的能量低,對基底的物理刻蝕作用可以忽略。另外,Ar 氣雖然有較大的碰撞截面,但是在較低的工作氣壓下,與氧原子碰撞機率很小,沒有明顯提高氧氣的離解率,反而由于Ar氣的參入活性離子密度降低了。說明在刻蝕過程中,參入Ar氣不一定會起到正面效果。
圖6 負偏壓與刻蝕率的關系
圖6是負偏壓與刻蝕速率之間的關系。氬氣與氧氣的比例為1∶1,其它刻蝕條件同上。刻蝕率隨負偏壓的增大先增大后減小。在負偏壓較低時,隨著負偏壓的增大,加在電離窗口和基底間的電壓增大,離子的動能增大,所以離子以較大的速度向基底運動,在單位時間內到達樣品表面的活性離子個數增多,刻蝕率增大;但是當負偏壓過高時,離子的動能很高,就會有部分氧離子注入到樣品里面,使類金剛石薄膜碳化,表面形成一層黑而發硬的碳膜,使刻蝕率下降。
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