一種基于基底晶向調(diào)控制備規(guī)則圖形的等離子體刻蝕方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)與納微材料制備領(lǐng)域，涉及一種無模板等離子體刻蝕方法。
【背景技術(shù)】
[0002]等離子體刻蝕是指在等離子體存在的條件下，通過離子濺射、化學(xué)反應(yīng)以及輔助能量離子(或電子)與模式轉(zhuǎn)換等方式下，精確可控地除去襯底表面上一定深度的薄膜物質(zhì)而留下不受影響的溝槽的一種加工過程，該過程通常為各向異性且按直線進(jìn)行。在大規(guī)模集成電路制造中，等離子體刻蝕是一種常用的加工技術(shù)，它與平面曝光、等離子體化學(xué)沉積、掩模、清洗、聚合等技術(shù)一起被廣泛用于微電子器件、薄膜、材料加工等方面。然而，為了獲得具有規(guī)則形貌和取向的圖形，以往的等離子體刻蝕工藝中都需要一個(gè)平面曝光后得到的光刻圖形作為掩膜，才能獲得規(guī)則的圖形。這樣就使得加工工藝更加復(fù)雜，并且成本較高。本發(fā)明不使用任何模板，直接在襯底上刻蝕出具有規(guī)則取向等離子刻蝕線，并且可以通過襯底的晶面取向調(diào)控刻蝕線的形貌和形成方向。本發(fā)明在微電子器件制造，材料微納米結(jié)構(gòu)調(diào)控與制備等方面具有重要應(yīng)用前景，如刻蝕后的襯底可以作為誘導(dǎo)納米線器件生長的模板，制備取向形貌可控的納米材料等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是采用一種無模板制備規(guī)則圖形的等離子體刻蝕方法，在襯底上直接刻蝕出具有規(guī)則形貌和取向的圖形，并且抗日義通過襯底的晶面取向?qū)D形的形貌和取向進(jìn)行調(diào)控。而且本發(fā)明制備工藝十分簡單，成本低廉，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)提供了可會K。
[0004]1、一種基于基底晶向調(diào)控制備規(guī)則圖形的等離子體刻蝕方法，其特征在于:
[0005](I)刻蝕裝置包括真空腔體、升溫裝置與等離子發(fā)生系統(tǒng)。真空腔體為石英管等，離子體發(fā)生系統(tǒng)為靠近石英管進(jìn)氣端的繞在石英管外的銅線圈，通過加載射頻電源對進(jìn)入管中的氣體進(jìn)行等離子體化，等離子體產(chǎn)生中心區(qū)域距離進(jìn)氣口 1/4管長位置；升溫裝置位于石英管出氣端，加熱區(qū)中心距離出氣口 1/4管長位置；基底放置加熱區(qū)中，從而通過溫度場與等離子能量梯度調(diào)控實(shí)現(xiàn)基底刻蝕作用；
[0006](2)刻蝕腔體內(nèi)真空度低于1Pa后，通入氮?dú)庠贜2，氣氛中升溫到900-1100°C，通入氫氣，調(diào)整隊(duì)和H 2，流量比例為1:1至4:1，打開射頻電源，將射頻功率調(diào)到40-150W，電離隊(duì)和H 2，對基底進(jìn)行刻蝕，此時(shí)氣壓為30-100Pa，持續(xù)0.5-2個(gè)小時(shí)；
[0007](3)刻蝕結(jié)束后，關(guān)閉射頻與停止通入氫氣，冷卻到室溫后即在基底上獲得具有規(guī)則取向的刻蝕圖形結(jié)構(gòu)。
[0008]進(jìn)一步，步驟(I)中根據(jù)基底的晶面取向的來調(diào)控所制備圖形的結(jié)構(gòu)形貌，選用不同取向基底，將獲得不同取向的規(guī)則排列的刻蝕線條。
[0009]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0010](I)本發(fā)明利用簡單的設(shè)備，不使用任何掩膜版，直接在硅襯底上可是出具有規(guī)則形貌的圖形；
[0011](2)在Si (100)襯底上，刻蝕線著兩個(gè)方向生長，且這兩個(gè)方向互相垂直；在Si(IlO)襯底上，刻蝕線只沿著一個(gè)方向生長；在Si (111)襯底上，刻蝕線沿著三個(gè)方向生長，任意兩個(gè)方向的夾角為60°。
【附圖說明】
[0012]圖1為自搭建的管式爐示意圖，是一套等離子體化學(xué)氣象沉積(PECVD)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中我們不進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，僅僅把硅襯底放置在石英管中，讓等離子體對其進(jìn)行轟擊；
[0013]圖2為實(shí)施例1中Si(10)襯底在等離子體刻蝕后的形貌，從圖中我們可以看到在襯底表面上形成方向互相垂直的刻蝕線；
[0014]圖3為實(shí)施例1中Si (100)襯底經(jīng)等離子體刻蝕后，在40% HF酸溶液腐蝕30min后的形貌，從圖中我們可以清晰的看到獨(dú)立的，兩個(gè)方向互相垂直的刻蝕線；
[0015]圖4為實(shí)施例1中Si (100)襯底上刻蝕線的原子力顯微鏡(AFM)表征圖，刻蝕線的深度達(dá)到幾十個(gè)納米，最深的地方達(dá)到10nm左右。
[0016]圖5為實(shí)施例2中Si(IlO)襯底在等離子體刻蝕后的形貌，從圖中我們可以看到在Si (110)襯底表面上，只有一個(gè)方向形成刻蝕線；
[0017]圖6為實(shí)施例3中Si(Ill)襯底在等離子體刻蝕后的形貌，從圖中我們可以看到在Si(Ill)襯底表面上，三個(gè)方向形成刻蝕線，并且任意兩個(gè)方向的夾角為60° ;
[0018]圖7為實(shí)施例1、2、3中形成的刻蝕線的取向與襯底取向的關(guān)系圖，(a)和(d)表明，在Si(10)襯底上，刻蝕線沿Si [011]和Si [0-11]方向；(b)和(e)表明，在Si (110)襯底上，刻蝕線只沿著Si[l-10]方向；(c)和(f)表明，在Si(Ill)襯底上，刻蝕線沿著Si [-101]，Si [1-10]和Si [0-11]方向?？偠灾?，在不同取向的硅襯底上，刻蝕線都是沿著Si〈110>方向取向形成
【具體實(shí)施方式】
:
[0019]下面通過實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，本發(fā)明絕非局限于所陳述的實(shí)例。
[0020]實(shí)施例1:
[0021](I);把Si (100)襯底放入管式爐中；
[0022](2)對管式爐進(jìn)行抽真空，真空度小于1Pa后，通入N2，流量為20sccm ；
[0023](3)設(shè)定管式爐以10°C每分鐘的升溫速率，在N2氣氛中升溫到1000°C，
[0024](4)溫度達(dá)到1000°C后，通入H2，流量為lOsccm，隊(duì)和!12流量比為2:1。
[0025](5)打開射頻電源，將射頻功率調(diào)到60W，對氣體進(jìn)行放電，生成等離子體，此時(shí)氣壓在45Pa，持續(xù)I個(gè)小時(shí)；
[0026](6)刻蝕I個(gè)小時(shí)后，關(guān)閉射頻電源，關(guān)閉氫氣，襯底在氮?dú)鈿夥兆匀焕鋮s到室溫。
[0027]反應(yīng)結(jié)束后，在襯底兩個(gè)方向上形成規(guī)則的，獨(dú)立的刻蝕線，并且這兩個(gè)方向互相垂直，其SEM圖見圖2。
[0028]實(shí)施例2:
[0029]將襯底換為Si (110)襯底，步驟(5)持續(xù)2個(gè)小時(shí)；其余條件與實(shí)施例1 一致，在襯底上制備出的只沿著一個(gè)方向的刻蝕線，其SEM圖見圖5.
[0030]實(shí)施例3:
[0031]將襯底換為Si (111)襯底，步驟(5)持續(xù)0.5個(gè)小時(shí)；其余條件與實(shí)施例1 一致，在襯底上制備出的沿三個(gè)方向的刻蝕線，并且任意兩個(gè)方向的夾角為60°，其SEM圖見圖6.
[0032]實(shí)施例4:
[0033]將溫度升至900°C，其余條件與實(shí)施例1 一致，在襯底上制備出的刻蝕線形貌與實(shí)施例I類似。
[0034]實(shí)施例5:
[0035]將溫度升至1100°C，其余條件與實(shí)施例1 一致，在襯底上制備出的刻蝕線形貌與實(shí)施例1類似。
[0036]實(shí)施例6:
[0037]將射頻功率調(diào)整為40w，其余條件與實(shí)施例1 一致，在襯底上制備出的刻蝕線形貌與實(shí)施例1類似。
[0038]實(shí)施例7:
[0039]將射頻功率調(diào)整為150W，其余條件與實(shí)施例1 一致，在襯底上制備出的刻蝕線形貌與實(shí)施例1類似。
[0040]實(shí)施例8:
[0041]將N2的速率調(diào)整為lOsccm，此時(shí)1和!12流量比為1: 1，反應(yīng)氣壓為30Pa，其余條件與實(shí)施例1 一致，在襯底上制備出的刻蝕線形貌與實(shí)施例1類似。
[0042]實(shí)施例9:
[0043]將隊(duì)的速率調(diào)整為40sccm，此時(shí)\和!12流量比為4:1，反應(yīng)氣壓為lOOPa，溫度升至1000°C，其余條件與實(shí)施例1 一致，在襯底上制備出的刻蝕線形貌與實(shí)施例1類似。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于基底晶向調(diào)控制備規(guī)則圖形的等離子體刻蝕方法，其特征在于: (1)刻蝕裝置包括真空腔體、升溫裝置與等離子發(fā)生系統(tǒng)。真空腔體為石英管，等離子體發(fā)生系統(tǒng)為靠近石英管進(jìn)氣端的繞在石英管外的銅線圈，通過加載射頻電源對進(jìn)入管中的氣體進(jìn)行等離子體化，等離子體產(chǎn)生中心區(qū)域距離進(jìn)氣口 1/4管長位置；升溫裝置位于石英管出氣端，加熱區(qū)中心距離出氣口 1/4管長位置；基底放置加熱區(qū)中，從而通過溫度場與等離子能量梯度調(diào)控實(shí)現(xiàn)基底刻蝕作用； (2)刻蝕腔體內(nèi)真空度低于1Pa后，通入氮?dú)庠贜2，氣氛中升溫到900-1100°C，通入氫氣，調(diào)整隊(duì)和H 2，流量比例為1:1至4:1，打開射頻電源，將射頻功率調(diào)到40-150W，電離N2和H2，對基底進(jìn)行刻蝕，此時(shí)氣壓為30-100Pa，持續(xù)0.5-2個(gè)小時(shí)； (3)刻蝕結(jié)束后，關(guān)閉射頻與停止通入氫氣，冷卻到室溫后即在基底上獲得具有規(guī)則取向的刻蝕圖形結(jié)構(gòu)。2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(I)中根據(jù)基底的晶面取向的來調(diào)控所制備圖形的結(jié)構(gòu)形貌，選用不同取向基底，將獲得不同取向的規(guī)則排列的刻蝕線條。
【專利摘要】一種基于基底晶向調(diào)控制備規(guī)則圖形的等離子體刻蝕方法屬于微電子器件、薄膜、材料加工領(lǐng)域。其特征在于：刻蝕裝置包括真空腔體、升溫裝置與等離子發(fā)生系統(tǒng)。通過溫度場與等離子能量梯度調(diào)控實(shí)現(xiàn)基底刻蝕作用；真空度低于10Pa后，通入氮?dú)庠贜2，氣氛中升溫到900‐1100℃，通入氫氣，打開射頻電源，將射頻功率調(diào)到40‐150W，電離N2和H2，對基底進(jìn)行刻蝕，此時(shí)氣壓為30‐100Pa，持續(xù)0.5‐2個(gè)小時(shí)；刻蝕結(jié)束后，關(guān)閉射頻與停止通入氫氣，冷卻到室溫。本發(fā)明無需使用任何模板，直接在襯底上刻蝕出具有規(guī)則取向的圖案，并且圖案的形貌和方向可以通過襯底的晶面取向調(diào)控。本發(fā)明在微電子器件制造、微納米材料制備等方面具有重要意義。
【IPC分類】H01L21/3065
【公開號】CN104979189
【申請?zhí)枴緾N201510366328
【發(fā)明人】王如志, 蘇超華, 張躍飛, 嚴(yán)輝, 王波, 朱滿康, 侯育冬, 張銘, 宋雪梅, 劉晶冰, 汪浩
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年10月14日
【申請日】2015年6月29日