石英单晶等离子体蚀刻工艺参数的优化方法（石英等离子刻蚀加工）

概括

本文对单晶石英局部等离子体化学刻蚀工艺的主要工艺参数进行了优化。在射频（RF，13.56 MHz）放电激励下，在CF4 和H2 的气体混合物中进行蚀刻。采用田口矩阵方法的科学实验设计用于检查腔室压力、射频发生器功率、施加到衬底支架的负偏压以及氢气流量对蚀刻工艺速率的影响。实验结果首次评估了工艺参数对蚀刻速率的影响。结果表明，工艺参数对研究条件的影响为：反应室压力、偏压、射频功率和氢气流量。

介绍

石英和熔融石英由于具有高耐热性、耐机械性和耐化学性、在宽光谱范围内透明以及低电导率等优点，广泛应用于电子和光学的各个领域。例如，它们被用作固态波陀螺仪敏感元件的材料，用于制造衍射和全息光学元件、专用微波集成电路外壳、石英发生器和各种微机电器件。最小化制品尺寸的稳定趋势导致机械加工方法不再提供所需的制造精度，而且还会在被机械加工的材料中引起不期望的应变和缺陷。由于工艺的各向同性，湿化学蚀刻方法无法保证所需尺寸的蚀刻微粒的再现精度。然而，采用基于低温等离子体的等离子体化学刻蚀方法，可以部分或完全解决上述问题。

本研究的目的是基于主要工艺参数对刻蚀速率影响的实验研究结果，优化单晶石英的PCE参数以提高加工速率。

实验

初步实验结果表明，工艺参数对蚀刻速率的影响是单调的，这使得基于田口矩阵法的科学实验设计成为可能。表中给出了由24 个实验组成的设计。在该设计中，对每组固定的工艺参数进行一组三个实验，这使得能够控制蚀刻结果的再现性，并假设参数的变化对蚀刻速率的影响最小。 CF4 流量固定为0.91 Lh-1。在所有运行中，蚀刻持续时间均为30 分钟。研究了施加在衬底支架上的偏置电压、射频发生器的输出功率、反应室压力和氢气流量这四个主要技术参数对石英蚀刻速率的影响。

结果与讨论

反应室中的压力通过确定电子和离子的能量分布、化学活性自由基的浓度以及到达蚀刻表面的离子的平均能量来影响等离子体化学蚀刻过程的许多特性。当在恒定气体流量下增加压力时，决定活性自由基生成速率的平均电子能量降低，从而导致蚀刻速率降低。同时，还有另一个原因导致蚀刻速率随着腔室压力的增加而降低。众所周知[7]，碳氟化合物等离子体中二氧化硅的等离子体化学蚀刻伴随着在蚀刻表面上形成聚合物状化合物。当受到离子轰击刺激时，这些化合物与氧化物中的氧相互作用，产生挥发性物质，例如一氧化碳、二氧化碳和一氧化碳，从而实现更高的蚀刻速率。考虑到决定蚀刻表面的离子轰击强度的偏压是影响石英蚀刻速率的第二个最重要的因素，我们可以假设增加腔室压力可以最小化离子轰击强度，从而最小化蚀刻速率。

蚀刻过程中离子轰击所起的作用间接受到在4.5 Pa压力下蚀刻的石英表面更强的粗糙度的限制（图2），而在较低压力（1.5 Pa）下则明显更粗糙。降低。在所有可能性中，在增加的压力下的离子轰击不足以刺激聚合物与整个蚀刻表面上的氧化物中的氧的均匀相互作用，这导致其粗糙度增加。

总结

本文利用单晶石英板（Z-cut）中CF4+H2气体混合物中等离子化学刻蚀大线性尺寸（310m）窗口的实验结果，首次确定了主要工艺参数（腔室压力、射频发生器功率、偏压和氢气流量）对蚀刻速率的影响。已经发现，在所研究的工艺参数变化范围内，关于蚀刻速率最重要的是反应室中的压力。下一个最重要的参数是施加到基板的偏置电压。第三个位置是射频发生器的功率，其中氢气流量对蚀刻速率的影响最小。所研究的所有技术因素对蚀刻速率影响的分析结果表明，蚀刻表面的离子轰击强度很可能决定了可达到的蚀刻速率。当在增加的压力（4.5 Pa）下进行蚀刻工艺时，与相对较低的压力（1.5 Pa）下的蚀刻相比，蚀刻表面的粗糙度明显更高。

审稿编辑：唐子红