一種大氣壓下對(duì)硅系材料進(jìn)行無掩膜微細(xì)加工的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種大氣壓下對(duì)硅系材料進(jìn)行無掩膜微細(xì)加工的方法，屬于材料加工【技術(shù)領(lǐng)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(fā)生器采用微細(xì)射流發(fā)生器，生成直徑在毫米至微米級(jí)的微細(xì)射流，射流中富含多種活性成分，包括能和硅系材料發(fā)生反應(yīng)的氟自由基或氯自由基。本發(fā)明提供的方法可在不使用傳統(tǒng)掩膜的情況下，在硅系材料上實(shí)現(xiàn)毫米至微米級(jí)的微細(xì)加工。大氣壓等離子體射流宏觀溫度低，對(duì)硅系材料的熱損傷低；該方法無需掩膜，操作簡單，能耗小，加工產(chǎn)物對(duì)環(huán)境危害小，是一種綠色環(huán)保的微細(xì)加工方法。
【專利說明】一種大氣壓下對(duì)硅系材料進(jìn)行無掩膜微細(xì)加工的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大氣壓下對(duì)硅系材料進(jìn)行無掩膜微細(xì)加工的方法，屬于材料加工【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]硅系半導(dǎo)體材料擁有較寬的能隙、較高的熱導(dǎo)率以及臨界擊穿電場高等優(yōu)點(diǎn)，在高頻、高溫、抗輻射、光電子等方面得到越來越多的應(yīng)用。硅系半導(dǎo)體器件的制作過程中，微細(xì)加工工藝是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的濕法刻蝕技術(shù)因無法保證刻蝕的各向異性，刻蝕溶液對(duì)環(huán)境和操作人員有危害等缺點(diǎn)而逐漸被等離子體刻蝕技術(shù)取代。傳統(tǒng)的低氣壓等離子體微加工硅系材料技術(shù)已經(jīng)很成熟，但是低氣壓等離子體需要昂貴的真空設(shè)備，真空腔尺寸大大限制了被加工件的尺寸，同時(shí)真空的獲得需要花費(fèi)大量時(shí)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(huì)被激發(fā)形成活性F、Cl，和硅系材料接觸后會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成揮發(fā)性氣體(如SiF4等)，從而對(duì)硅系材料形成去除。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(lì)生成的等離子體射流實(shí)現(xiàn)了硅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，復(fù)雜的水冷系統(tǒng)也使操作繁瑣。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種大氣壓下對(duì)硅系材料進(jìn)行無掩膜微細(xì)加工的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅系材料的微量去除加工。
[0006]一種大氣壓下對(duì)硅系材料進(jìn)行無掩膜微細(xì)加工的方法，該方法采用的微細(xì)射流發(fā)生器包括空心針電極、出口為收縮式的介質(zhì)層、環(huán)電極和高壓電源；介質(zhì)層的出口直徑不大于Imm ;空心針電極與高壓電源的高壓輸出端相連，環(huán)電極接地；微細(xì)射流發(fā)生器、載物臺(tái)和排氣口共同組成反應(yīng)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(yīng)腔；微細(xì)射流發(fā)生器固定在反應(yīng)腔內(nèi)，將待加工的硅系材料放置在載物臺(tái)上，并置于微細(xì)射流發(fā)生器的大氣壓等離子體射流出口正下方；向反應(yīng)腔中通入刻蝕氣體，刻蝕氣體充滿于反應(yīng)腔中；再將惰性氣體通入微細(xì)射流發(fā)生器中；在頻率低于10kHz的高壓電源激勵(lì)下，空心針電極和接地環(huán)電極間發(fā)生介質(zhì)阻擋放電，生成等離子體射流，同時(shí)刻蝕氣體在等離子體氛圍中分解出活性原子，活性原子與置于等離子體射流末端的硅系材料接觸并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，微量去除硅系材料。
[0007]所述的空心針電極為不銹鋼針；所述的環(huán)電極為黃銅；所述的介質(zhì)層選用毛細(xì)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(shí)還通入輔助氣體，所述的輔助氣體為氧氣或氫氣。
[0009]本發(fā)明的有益效果是無需真空設(shè)備、水冷系統(tǒng)等，大大簡化加工設(shè)備；中間產(chǎn)物和加工產(chǎn)物對(duì)環(huán)境無污染，是一種綠色的微細(xì)加工方法；采用頻率低于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(xì)等離子體射流宏觀溫度低，對(duì)硅系材料熱損傷小。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是采用大氣壓微細(xì)等離子體射流對(duì)硅系材料進(jìn)行微細(xì)加工的示意圖。
[0011]圖2是米用氦氣為工作氣體、六氟化硫?yàn)榭涛g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(zhì)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(yīng)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(tái)；13硅系材料基片；14排氣口。

【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0014]實(shí)施例
[0015]采用氦氣為工作氣體，SF6為刻蝕氣體，O2為輔助氣體，氣體純度均為99.999 %，并對(duì)SiC進(jìn)行微細(xì)加工。選用的心針電極為不銹鋼針，環(huán)電極為黃銅，介質(zhì)層選用毛細(xì)石英玻璃管，其出口為收縮式。在進(jìn)行微細(xì)加工前，按圖1將設(shè)備分別連接:微細(xì)射流發(fā)生器的空心針電極與高壓電源的高壓輸出端相連，環(huán)電極接地，高壓電源采用正弦波交流電源，輸出頻率固定在60kHz ;將冷等離子體射流發(fā)生器固定在反應(yīng)腔內(nèi)，將待加工的硅系材料放置在載物臺(tái)上，并置于射流出口正下方1mm處。加工前先在反應(yīng)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(yīng)腔后形成SF6及O2的混合氣體氛圍。五分鐘后,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(fā)生器的出口產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體射流，并將射流和SiC接觸區(qū)域的刻蝕氣體解離產(chǎn)生活性F，F(xiàn)與SiC反應(yīng)生成揮發(fā)性SiF4等，實(shí)現(xiàn)對(duì)SiC的微細(xì)加工，加工時(shí)間設(shè)定為20分鐘。生成的產(chǎn)物通過排氣口排出反應(yīng)腔。圖2所示是加工得到的微坑，深度約為4微米，直徑小于0.8毫米。
【權(quán)利要求】
1.一種大氣壓下對(duì)硅系材料進(jìn)行無掩膜微細(xì)加工的方法，其特征在于，該方法采用的微細(xì)射流發(fā)生器包括空心針電極、出口為收縮式的介質(zhì)層、環(huán)電極和高壓電源；介質(zhì)層的出口直徑不大于Irnm;空心針電極與高壓電源的高壓輸出端相連，環(huán)電極接地；微細(xì)射流發(fā)生器、載物臺(tái)和排氣口共同組成反應(yīng)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(yīng)腔；微細(xì)射流發(fā)生器固定在反應(yīng)腔內(nèi)，將待加工的硅系材料放置在載物臺(tái)上，并置于微細(xì)射流發(fā)生器的大氣壓等離子體射流出口正下方；向反應(yīng)腔中通入刻蝕氣體，刻蝕氣體充滿于反應(yīng)腔中；再將惰性氣體通入微細(xì)射流發(fā)生器中；在頻率低于10kHz的高壓電源激勵(lì)下，空心針電極和接地環(huán)電極間發(fā)生介質(zhì)阻擋放電，生成等離子體射流，同時(shí)刻蝕氣體在等離子體氛圍中分解出活性原子，活性原子與置于等離子體射流末端的硅系材料接觸并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，微量去除硅系材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的空心針電極為不銹鋼針。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的環(huán)電極為黃銅。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的介質(zhì)層選用毛細(xì)石英玻璃管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，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(shí)還通入輔助氣體，所述的輔助氣體為氧氣或氫氣。
【文檔編號(hào)】C30B33/12GK104404518SQ201410532673
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】徐文驥, 陳發(fā)澤, 劉新, 艾新雨, 黃帥, 楊曉龍 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)