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e. 2013 文章编号：1673-9965 (2013)02-103-05 工艺参数对电感耦合等离子体刻蚀ZnS速率和表面粗糙度的影响 西安电气工程学院 710021)获得了电感耦合等离子体反应刻蚀ZnS、CH4的工艺参数:H2:Ar(:5)用作蚀刻气体。 基于ZnS刻蚀机理，分析了各种工艺因素对ZnS刻蚀速率和刻蚀后表面粗糙度的影响。 实验结果表明，当气体总流量为39sccm，偏置功率为80W，射频功率为300W时，ZnS的刻蚀速率为18.5nm/min，表面粗糙度Ra小于6.3nm，且蚀刻后表面沉积物相对较少； Ar含量变化对蚀刻速率和表面粗糙度的影响，对比了表面粗糙度随总气流Ar含量、偏压功率和射频功率的变化趋势。 关键词电感耦合等离子体； 反应离子蚀刻； ZnS蚀刻机理； 蚀刻速率； roughness N05 文件代号 硫化锌（ZnS）是一种宽带隙II-VI族化合物半导体材料，禁带宽度为3 .7eV，主要用于光电器件。 硫化锌材料具有极高的透光率，同时该材料对环境影响具有较高的抗干扰性和机械稳定性，可用于在可见光、近光范围内的露天环境下工作ZnS基板-红外线或远红外光作为微型光学器件具有广阔的应用前景。 ZnS光学元件的生产，主要采用雕刻工艺。 由于ZnS的化学性质在常温下非常稳定，目前大多采用干法蚀刻。 II-VI族化合物半导体常用的刻蚀气体有两种，C1和BCl。

,CC1,SiC1是一类碳氢化合物气体C2H/Hz或CH/Hz)E4-5]。 第一类气体刻蚀IIVI族化合物半导体材料时，刻蚀速率可达数nm/minc6-7]，刻蚀速率快，不利于纳米级精细结构的制作，卤族元素具有腐蚀性和毒性，反应时生成的聚合物沉积在基板表面和侧壁上，降低刻蚀速率，增加刻蚀，但当仅使用碳氢化合物气体进行刻蚀时，生成的反应物可能不易分离从衬底表面影响蚀刻过程． 同时，当CH等离子体与光刻胶发生反应时，沉积在腔体内壁的碳氢聚合物会污染腔体，因此腔体应经常清洗。 在蚀刻气体中加入惰性气体（He、Ne、Ar、Kr、Xe）可以增强离子轰击并稀释气体。 惰性气体不参与化学反应过程，不会影响Zn0. 反应离子刻蚀实验CH/H。 /Xe混合气体，虽然由于Xe原子量较大，刻蚀速率有所提高，但GaN中加入GaN时物理溅射效应更强，得到的表面比不加He时更光滑l_9]。 此外，文献[10]主要研究了氩离子在反应离子刻蚀材料中的作用。 氩离子对调整钝化阻挡层和去除颗粒沉积有显着效果，相对容易获得垂直刻蚀的效果 [] ． 因此，在使用碳氢化合物气体蚀刻ZnS时，应通入适当的惰性气体。 收稿日期：2012-09-26 基金资助：国防基础研究项目AO92O11OO19) 作者简介，西安工业大学硕士研究生。 通讯作者：**龙（1972），西安工业大学教授，主要研究人员电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma粗糙度影响，ICP）具有损伤小、过程稳定可控、加工程度高等优点，已成为一种使用电感耦合等离子体的理想干法蚀刻方法。 耦合等离子技术/Ar混合气体建立反应刻蚀ZnS工艺参数，主要研究气体总流量、Ar含量、偏压功率和射频功率对ZnS刻蚀速率和刻蚀后表面粗糙度的影响，以期找到理想的刻蚀工艺工艺参数，满足蚀刻各种ZnS材料器件的工艺要求。 电感耦合等离子刻蚀机理 ZnS 电感耦合等离子刻蚀可分为物理刻蚀和化学刻蚀。 使用CH/Ar混合气体蚀刻ZnS)和甲基(CH.

1）它们与锌和硫反应生成不同的挥发性产物。 反应式为Ha---~Zn(CH3)S2-+2HZn没有有效作用，所以纯氢蚀刻ZnS具有各向同性，蚀刻速率很低。 随着甲烷的加入，会生成易于脱附的Zn反应产物Zn(CH.)z，使蚀刻后的基板表面更加光滑，蚀刻出图案轮廓。 具有各向异性的特性。 Ar作为物理刻蚀气体，辅助溅射去除Zn(CH.)z，促进基面化学反应，起到稀释气体和稳定等离子体的作用。 实验与方法实验采用中国科学院微电子研究所研制的ICP-98A高密度等离子刻蚀机。 具有13.56MHz高蚀刻精度的射频电源，可独立调节等离子体的密度和能量。 射频激发电源通过电感耦合在反应室内产生高密度等离子体群。 dx(0-5oo)的偏置功率引导离子垂直于被刻蚀物体运动，从而达到各向异性、高速、低损伤刻蚀的目的。 与传统的反应离子刻蚀设备相比，该系统的等离子体密度提高了10cm-2。 背景真空设置在310~Pa，晶圆台用2o水冷却。 实验采用10mm1mmZnS晶圆作为正性光刻胶作为掩模。 在保持CHHz质量流量比的条件下[2]粗糙度影响，通过改变总气体流量（2678secm）、Ar（CH4:H2、ICP射频功率（150~500W）和偏压功率（O~150，分析）的影响各种工艺因素对ZnS蚀刻速率和蚀刻后表面粗糙度的影响，结合蚀刻速率和蚀刻表面粗糙度来确定CH/H。

/Ar蚀刻ZnS的工艺参数。 假设标准蚀刻条件为：总气体流量39sccm，CH4:H2:5，ICP RF功率300偏置功率8OW。 TaylorSurfCCI2000非接触式表面测量仪用于测量蚀刻后样品表面的粗糙度和蚀刻深度，测得的蚀刻深度为多个台阶点的平均值。 实验结果与分析 3.1 气体流量对ZnS蚀刻速率和粗糙度的影响总流量的变化可以看作是气体流量和压力共同影响的结果。 在其他工艺条件和标准条件下，总气体流量分别为26 sccm、39 sccm、52 sccm、65 sccm和78 sccm进行蚀刻实验，以及总气体流量、ZnS蚀刻速率与表面的关系蚀刻后的粗糙度如图所示。 从图中可以看出，随着总气体流量的增加，当流量为50 sccm时，ZnS的蚀刻速率先增大后减小。 总气体流量与ZnS蚀刻速率和蚀刻后表面粗糙度的关系。 当总气体流量小于52sccm时，操作时反应室内的压力低于Pa。 随着总流速的增加，反应室中等离子体的浓度增加。 增强物理和化学蚀刻效果，提高蚀刻速率，蚀刻后表面粗糙度变化不大。 当气体流量高达52sccm时，虽然总气体流量相同，但将偏压功率改为W、50W、8O，进行偏压功率因数影响的实验。 可以看出，随着偏置功率的增大，刻蚀速率单调增加，刻蚀后的表面粗糙度先减小后增大。 刻蚀后表面粗糙度的关系 Figelationship bias poweretchrates surface rough hness 偏压功率的大小决定了衬底在反应室内自偏压的大小，决定了活性基团到达衬底表面时的能量，使等离子体能量垂直蚀刻基板。 当偏置功率较小时，等离子体中的活性基团CH。

一是到达基体表面时能量小，化学反应不充分，蚀刻产物Zn(CH.)不能有效溅射表面，所以蚀刻速率小，蚀刻后表面粗糙度大大的 。 随着偏置功率的增大，到达衬底表面的活性自由基的能量增强，化学反应过程的能量也增强，从而加速了蚀刻表面的化学反应和难挥发产物的脱附，所以蚀刻速率增加。 蚀刻表面的粗糙度降低。 偏压功率过大时，物理轰击强，Ar10可以获得足够的能量辅助刻蚀反应产物，刻蚀速率增加，但偏压功率过大容易造成严重的刻蚀损伤，导致pattern变形和蚀刻。 表面粗糙度增加。 当偏置功率为80W左右时，刻蚀后的表面粗糙度较小。 3.4 所示。 当其他工艺条件与标准条件一致时，射频功率从150增加到500。可以看出，随着射频功率的增加，ZnS蚀刻速率单调增加，蚀刻表面粗糙度先减小后增大. 射频功率的大小主要决定了反应室内的血浆浓度。 当射频功率增加时，一方面，血浆浓度增加； 另一方面，提供给等离子体中自由电子的能量增加。 随着射频功率的增加，活性自由基和高能自由电子与蚀刻气体的化学相互作用机制增强，物理化学蚀刻增强，因此蚀刻速率增加。 射频功率小时，等离子体浓度和能量小，蚀刻表面粗糙度大。 但并不是射频功率Zn(CHs) HzS被加速，不能及时被真空系统抽排，这样就会发生二次沉积，污染样品表面和真空室300W，蚀刻面粗糙度最小。 射频功率与ZnS蚀刻速率及蚀刻后表面粗糙度工艺参数：总气体流量39sccm，CH：H2：Ar-1，射频功率300，偏压功率80，蚀刻速率18.5nm/min。 Ar含量决定了ICP刻蚀ZnS的物理化学刻蚀程度，是影响ZnS刻蚀的最主要因素。 在上述工艺参数条件下，制作出ZnS材料的组件。 刻蚀后的表面粗糙度与各工艺参数的关系如下：随着气体总流量和偏压功率的增加，表面粗糙度逐渐增大。 Ar含量和射频随着功率的增加，表面粗糙度先减小后增大。 蚀刻后的最小表面粗糙度Ra为6.3nm。 由于CH，生成的碳氢化合物聚合物沉积在ZnS衬底图案的表面和侧壁上，蚀刻后的表面粗糙度比使用氯基气体的大。 为了消除烃类聚合物对表面粗糙度的影响，可以考虑其他可以结合CH/Hz/Ar的蚀刻气体：工艺参数对ICP蚀刻ZnS速率和表面粗糙度的影响107等微米硫化。 功能材料, 2004, 35 (Supplement v-qian, et al. The Infrared ulfide Se-Mieonductor[J]. Journal Functional Materials, H, YOKOYAMAM, SU eactiveIon tching[J]. 材料化学物理, 1995(42): 217 . KIMHAN KI, BAE K. eta1. Inductively Coupled singBC13-based Plasmas [J ].American Vacuum Society, 2003 r4] IP, OVERGERG, eta1. ICP Dry Etching Solid lectronics, 200 ICP 蚀刻工艺研究 [J]. and Infrared, 2008, 12(38): 1211. 李宏伟, 等. A MCTCo ntact Hole Etching ICP Process [Infrared, 2008: 1211 l2/Ar inductively coupled plasma etching InP process research]. Functional materials and devices Acta Sinica, 2005 , ll ZHUHal—bo iao—liang．Inductively Coupled Plasma Etching C12/ArChemistries[ E0NG , eta1．Anisotropic InGaA Inductively Coupled Plasma LowBias Power[J] ．Journal KoreanPhysical Society ，20 07 ，50 WANTAELIMSS，LARS ，R0 HIT KHANNA eta1．干法单晶体ZnO CH4/H2基等离子体电感耦合P1asma[J].Journal Semiconductors, 2006, 27 (1135 hinese)[10] .Journal of Semiconductors, 1990,11(12):937.eactiveIon Etching semiconductors, 19 90 hinese) 11] ATSUSHI OKITA, Y0 6HIY UKI SUDA, AK INOR1 DA, et al Effects Carbon Nanotube Formation CH4/H2Plasmas[J]. Carbon, 2007, 45: 1518. nfluence ce parameters inductively urface ce ughness ng, CA Chang—long School technological bstract obtain heet ching parameters inductively coupled plasma heet ching mixtur hefluence various parameter etching rat urface roughnes analyzedbased heetching heex perim ent al esul substrat 获取热清参数 电感耦合等离子体热清混合物相对较小的 heminim um 表面粗糙度 6. 3nm 总流量 hebias pow er power 蚀刻速率主要影响 Arcontent。 论文给出了表面粗糙度tota1流动含量、偏压功率的变化趋势。 关键词电感耦合等离子体eactiv ionet ching； 蚀刻原理； et ching 吃了; 粗糙度（主编