一種大氣壓下對矽系材料進行無掩膜微細加工的方法
2023-06-04 22:55:11 1
一種大氣壓下對矽系材料進行無掩膜微細加工的方法
【專利摘要】本發明涉及一種大氣壓下對矽系材料進行無掩膜微細加工的方法，屬於材料加工【技術領域】。工作氣體選擇氬氣或氦氣，刻蝕氣體選擇含氟氣體或含氯氣體，另外還需通入少量輔助氣體如氧氣或氫氣。射流發生器採用微細射流發生器，生成直徑在毫米至微米級的微細射流，射流中富含多種活性成分，包括能和矽系材料發生反應的氟自由基或氯自由基。本發明提供的方法可在不使用傳統掩膜的情況下，在矽系材料上實現毫米至微米級的微細加工。大氣壓等離子體射流宏觀溫度低，對矽系材料的熱損傷低；該方法無需掩膜，操作簡單，能耗小，加工產物對環境危害小，是一種綠色環保的微細加工方法。
【專利說明】一種大氣壓下對矽系材料進行無掩膜微細加工的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種大氣壓下對矽系材料進行無掩膜微細加工的方法，屬於材料加工【技術領域】。
【背景技術】
[0002]矽系半導體材料擁有較寬的能隙、較高的熱導率以及臨界擊穿電場高等優點，在高頻、高溫、抗輻射、光電子等方面得到越來越多的應用。矽系半導體器件的製作過程中，微細加工工藝是一項關鍵技術。傳統的溼法刻蝕技術因無法保證刻蝕的各向異性，刻蝕溶液對環境和操作人員有危害等缺點而逐漸被等離子體刻蝕技術取代。傳統的低氣壓等離子體微加工矽系材料技術已經很成熟，但是低氣壓等離子體需要昂貴的真空設備，真空腔尺寸大大限制了被加工件的尺寸，同時真空的獲得需要花費大量時間，大大降低了加工效率。
[0003]適量氟基、氯基等氣體在等離子體氣氛中會被激發形成活性F、Cl，和矽系材料接觸後會發生化學反應生成揮發性氣體(如SiF4等)，從而對矽系材料形成去除。通常，加工過程中還要加入少量輔助氣體(如氧氣)，以提高去除效率。
[0004]Ichiki 等(Ichiki T, Taura R, Horiike Y.Localized and ultrahigh-rateetching of silicon wafers using atmospheric-pressure microplasma jets[J].Journal of applied physics, 2004，95 (I): 35-39.)用 10MHz 超高頻激勵生成的等離子體射流實現了矽和石英玻璃基片的高速局域刻蝕，但超高頻射頻電源增加了能耗，複雜的水冷系統也使操作繁瑣。
【發明內容】
[0005]本發明提供了一種大氣壓下對矽系材料進行無掩膜微細加工的方法，實現對矽系材料的微量去除加工。
[0006]一種大氣壓下對矽系材料進行無掩膜微細加工的方法，該方法採用的微細射流發生器包括空心針電極、出口為收縮式的介質層、環電極和高壓電源；介質層的出口直徑不大於Imm ;空心針電極與高壓電源的高壓輸出端相連，環電極接地；微細射流發生器、載物臺和排氣口共同組成反應腔；大氣壓等離子體射流通過氣體流量控制單元注入到空心針電極，刻蝕氣體通過氣體流量控制單元注入反應腔；微細射流發生器固定在反應腔內，將待加工的矽系材料放置在載物臺上，並置於微細射流發生器的大氣壓等離子體射流出口正下方；向反應腔中通入刻蝕氣體，刻蝕氣體充滿於反應腔中；再將惰性氣體通入微細射流發生器中；在頻率低於10kHz的高壓電源激勵下，空心針電極和接地環電極間發生介質阻擋放電，生成等離子體射流，同時刻蝕氣體在等離子體氛圍中分解出活性原子，活性原子與置於等離子體射流末端的矽系材料接觸並發生化學反應，微量去除矽系材料。
[0007]所述的空心針電極為不鏽鋼針；所述的環電極為黃銅；所述的介質層選用毛細石英玻璃管。
[0008]所述的刻蝕氣體為含氟氣體或含氯氣體；在通入刻蝕氣體的同時還通入輔助氣體，所述的輔助氣體為氧氣或氫氣。
[0009]本發明的有益效果是無需真空設備、水冷系統等，大大簡化加工設備；中間產物和加工產物對環境無汙染，是一種綠色的微細加工方法；採用頻率低於10kHz的低頻高壓電源，有效降低功率耗散和高頻源的輻射；大氣壓微細等離子體射流宏觀溫度低，對矽系材料熱損傷小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是採用大氣壓微細等離子體射流對矽系材料進行微細加工的示意圖。
[0011]圖2是米用氦氣為工作氣體、六氟化硫為刻蝕氣體、氧氣為輔助氣體,加工碳化娃得到的微坑形貌圖。
[0012]圖中:1空心針電極；2介質層；3地電極；4工作氣體源；5刻蝕氣體源；6輔助氣體源；7氣體流量控制單元；8反應腔；9刻蝕氣體和輔助氣體混合氣體；10高壓電源；11大氣壓等離子體射流；12載物臺；13矽系材料基片；14排氣口。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0014]實施例
[0015]採用氦氣為工作氣體，SF6為刻蝕氣體，O2為輔助氣體，氣體純度均為99.999 %，並對SiC進行微細加工。選用的心針電極為不鏽鋼針，環電極為黃銅，介質層選用毛細石英玻璃管，其出口為收縮式。在進行微細加工前，按圖1將設備分別連接:微細射流發生器的空心針電極與高壓電源的高壓輸出端相連，環電極接地，高壓電源採用正弦波交流電源，輸出頻率固定在60kHz ;將冷等離子體射流發生器固定在反應腔內，將待加工的矽系材料放置在載物臺上，並置於射流出口正下方1mm處。加工前先在反應腔中通入SFf^P O2，其流量由氣體流量控制單元分別控制為0.15L/min和0.02L/min, SF6及O2混合注入反應腔後形成SF6及O2的混合氣體氛圍。五分鐘後,通過氣體流量控制單元以1.2L/min的流量將氦氣通入空心針電極，開啟高壓電源，逐漸提高輸出電壓至2.7kV，等離子體射流發生器的出口產生穩定的等離子體射流，並將射流和SiC接觸區域的刻蝕氣體解離產生活性F，F與SiC反應生成揮發性SiF4等，實現對SiC的微細加工，加工時間設定為20分鐘。生成的產物通過排氣口排出反應腔。圖2所示是加工得到的微坑，深度約為4微米，直徑小於0.8毫米。
【權利要求】
1.一種大氣壓下對矽系材料進行無掩膜微細加工的方法，其特徵在於，該方法採用的微細射流發生器包括空心針電極、出口為收縮式的介質層、環電極和高壓電源；介質層的出口直徑不大於Irnm;空心針電極與高壓電源的高壓輸出端相連，環電極接地；微細射流發生器、載物臺和排氣口共同組成反應腔；大氣壓等離子體射流通過氣體流量控制單元注入到空心針電極，刻蝕氣體通過氣體流量控制單元注入反應腔；微細射流發生器固定在反應腔內，將待加工的矽系材料放置在載物臺上，並置於微細射流發生器的大氣壓等離子體射流出口正下方；向反應腔中通入刻蝕氣體，刻蝕氣體充滿於反應腔中；再將惰性氣體通入微細射流發生器中；在頻率低於10kHz的高壓電源激勵下，空心針電極和接地環電極間發生介質阻擋放電，生成等離子體射流，同時刻蝕氣體在等離子體氛圍中分解出活性原子，活性原子與置於等離子體射流末端的矽系材料接觸並發生化學反應，微量去除矽系材料。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的空心針電極為不鏽鋼針。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述的環電極為黃銅。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述的介質層選用毛細石英玻璃管。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述的刻蝕氣體為含氟氣體或含氯氣體；在通入刻蝕氣體的同時還通入輔助氣體，所述的輔助氣體為氧氣或氫氣。
【文檔編號】C30B33/12GK104404518SQ201410532673
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月10日 優先權日:2014年10月10日
【發明者】徐文驥, 陳發澤, 劉新, 艾新雨, 黃帥, 楊曉龍 申請人:大連理工大學