等离子体刻蚀金刚石膜的研究方法及现状

摘 要：等离子体刻蚀是金刚石膜的抛光、切割和图形化等加工过程中一项很重要的技术。本文综述了国内外等离子体刻蚀金刚石膜的研究成果。

关键词：等离子体刻蚀；金刚石膜；进展

1 引言

化学气相沉积(CVD)金刚石膜拥有许多卓越的化学和物理性质，如良好的化学稳定性、高硬度、高弹性模量、高热导率、宽光谱透过范围、宽禁带宽度和极高的载流子迁移率等，因而在机械、微电子、通讯和国防工业中都有着广泛的应用[1]。目前，工业合成的CVD金刚石膜一般是表面非常粗糙的圆片形多晶金刚石厚膜，因此需要经过抛光、刻蚀图形化、切割以及金属化和焊接等加工过程，才能实现其具体的工业应用。例如，把金刚石膜用作刀具表面的超硬涂层时，需要先将所制备的金刚石膜进行抛光和切割，才能焊接到各种刀具上。用作大功率集成电路的散热片和红外光学窗口时，抛光可以降低表面传热损失和光的漫反射。而把金刚石膜用作微电子机械器件时，需要将其进行抛光和表面微刻蚀图形化。

低温等离子体微细加工手段是材料微纳加工的关键技术，它是微电子、光电子、微机械、微光学等制备技术的基础[2]。特别是在超大规模集成电路制造工艺中，有近三分之一的工序是借助于等离子体加工完成的。如等离子体薄膜沉积、等离子体刻蚀及等离子体去胶等，其中等离子体刻蚀成为最为关键的工艺流程之一，是实现超大规模集成电路生产中的微细图形高保真地从光刻模板转移到硅片和金刚石膜上不可替代的工艺[3]。

2 主要设备与研究方法

等离子体刻蚀在金刚石膜的加工中可以起到很多方面的作用，是非常重要的基础技术之一。例如，将金刚石膜用作微机械、微电子、微传感器和微光机电系统等方面的微纳尺度器件时，需要对所制备的CVD金刚石膜进行微加工以使其图形化。除了采用离子源产生的离子束来研究微加工，如Kaufman离子源[4]，目前主要采用等离子体来研究金刚石膜的刻蚀和微加工，所采用的刻蚀系统主要有射频感应偶合等离子体刻蚀和电子回旋共振等离子体刻蚀。

射频感应偶合等离子体刻蚀系统(Inductively Coupled Plasma, ICP)[5]，是集成电路刻蚀中广泛采用的技术，因而在金刚石膜的刻蚀图形中，也被研究者们广泛采用。如图1所示，感应偶合等离子体刻蚀系统包括真空系统、冷却水系统和电源系统。它采用射频电磁波偶合加速电子，被加速的电子碰撞低压气体来激发产生低温等离子体。同时在水冷却基片上加上偏压来促进离子在等离子体鞘层中的加速，以加强等离子体的各向异性刻蚀。通常，感应线圈可以环绕在石英管上，也可以由内到外地盘绕在石英窗口面上，以产生所需的更大面积高密度的等离子体。

电子回旋共振等离子体刻蚀系统(ECR, Electron Cyclotron Resonance)[6]，是应超大规模集成电路(VLSI)技术的发展而开发的新型大面积高密度等离子体技术。它具有无金属电极污染、均匀性好、极低气压下高离化率、工艺设备简单等优点，被认为在集成电路的刻蚀中拥有美好的应用前景。因此，在金刚石膜的刻蚀图形中，也被研究者们所采用。如图2所示，在电子回旋共振等离子体刻蚀系统中，油扩散泵或分子泵将真空维持在10-5～10-2Pa， 2.45GHz的微波通过矩形波导传入到反应腔中。在磁场87.5mT处，电子发生回旋谐振，充分吸收微波能量，使气体充分电离，从而产生低气压下高密度等离子体。对于刻蚀来说，较低气压时，离子体自由程更长，更有助于离子的加速。因而，可以在较低气压下产生大面积高密度等离子体的ECR系统，更容易产生各向同性刻蚀，甚至垂直刻蚀。图形化金刚石膜中，普遍所采用的工艺流程如图3所示。

其制备工艺为：

（1） 利用溅射沉积或蒸发镀一层金属掩体，如Al或NiTi；

（2） 利用传统掩模光刻技术制作光刻胶掩模图形；

（3） 采用专门化学刻蚀液图形化金属掩体，并去掉光刻胶；

（4） 采用各向异性等离子体刻蚀图形化金刚石膜(如O2或Ar+O2)；

（5） 去掉金属掩体。

3 金刚石膜的研究现状

上世纪末，国外主要将重点放在实验室内刻蚀方面的基础研究。利用传统刻蚀装置研究不同等离子体下刻蚀参数对刻蚀的影响和不同掩体对刻蚀的影响。普遍关注的是反应参数对刻蚀的速率、刻蚀的各向异性以及刻蚀后的表面粗糙度的影响。例如早在1996年，H. Buchkremer-Hermanns等人[7]就以空气为气源，采用ECR产生等离子体，研究了微波功率和气压对CVD金刚石膜刻蚀的影响。研究发现:微波功率一定时，刻蚀速率将随气压的增大先变大后变小；气压一定时，刻蚀速率将随微波功率的增大而显著增加。次年，美国的Gopi M.R. Sirineni等[8]采用射频放电技术，研究了不同放电条件下的氧等离子体对CVD多晶金刚石膜刻蚀的影响。研究发现，氧等离子体刻蚀会导致金刚石膜表面出现大量刻蚀深坑，同时会导致表面平均粗糙度降低一半。而且射频功率一定时，刻蚀速率随气压的升高而增加。气压一定时，刻蚀速率随功率的升高而增加。但他们不能对刻蚀的影响机制给出解释。2001年，澳大利亚的P. W. Leech等人[9]利用离子源技术，研究了不同混合气体下刻蚀工艺对刻蚀后金刚石膜表面粗糙度以及刻蚀速率的影响。他们发现，以纯O2为气源时，表面粗糙度随功率的增加而变大。而添加适量的Ar或CF4可以抑制表面粗糙度增加，甚至使表面粗糙度几乎不变。并且以O2和Ar为气源时，刻蚀速率将随含氧比例的增加而升高。国内在这方面只有上海交通大学的姚翔[10]等人于2000年以氧气和氩气为混合气源，研究了射频功率和工作气压以及氧气比例对热丝CVD金刚石膜刻蚀速率的影响，并得到类似上述国外的结论。

本世纪初，由于上世纪刻蚀基础研究的显著进展，国外则主要将研究重点集中在采用最优化的刻蚀工艺图形化金刚石膜，试图制作微纳尺寸的金刚石膜器件。

2004年，日本的D.S. Hwang等人[11]，采用ICP系统以1:3的氧气和氩气为气源，铝为掩体，在气压2～7Pa和射频功率700～1000W下，研究了偏压对单晶金刚石刻蚀的影响，发现偏压功率在200W下刻蚀的各向异性最为明显，可以获得较高的横纵比、垂直的刻蚀壁和40?滋m/h的高刻蚀速率，以及平整的刻蚀表面。而不加偏压时，刻蚀为各向同性。结合两种刻蚀可以获得有场发射性能的金刚石圆锥，如图4所示。