单晶硅元件自由基等离子体加工关键工艺技术研究

作     者：宋梓荣 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：惠迎雪;刘政

授予年度：2023年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 070204[理学-等离子体物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：自由基等离子体 刻蚀特性 刻蚀速率 单晶硅 微结构 

摘      要：单晶硅作为一种优秀的半导体材料,具有良好的导电性、化学性质稳定、热稳定性高、机械可塑性强等诸多优点,在电子电气领域和光电领域都有着出色的应用发挥。但不论是何种应用场景,都对元件加工提出高效率、低损伤的需求。本文引入自由基等离子体加工技术,该技术主要将等离子体放电区域和反应腔室分隔开,从而提供一种非接触式、无热效应、高效均匀的纯化学反应抛光方式。本文主要以单晶硅材料为实验对象,采用自由基等离子体刻蚀方法对硅基元件进行加工抛光,总结分析单晶硅自由基等离子体刻蚀特性,为后续探索单晶硅表面缺陷自由基加工和单晶硅表面微结构自由基加工提供理论基础,同时后续的探索研究也会进一步促进对自由基等离子体加工的认识,明确其在光学元件加工技术中的地位,了解该技术的应用前景。本文主要研究成果如下:(1)在探索单晶硅自由基等离子体刻蚀特性研究中,得出自由基等离子体抛光设备中微波功率和含氟气体流量的工艺参数对元件刻蚀速率影响最大,且元件的刻蚀速率和刻蚀后表面质量整体上呈反比。(2)在不同晶向、掺杂单晶硅自由基等离子体刻蚀特性的实验研究中,得出不同单晶硅的刻蚀速率存在明显差异,其中晶向单晶硅刻蚀速率整体上高于晶向单晶硅,有掺杂单晶硅刻蚀速率整体也高于无掺杂单晶硅;验证了单晶硅自由基等离子体刻蚀的各向异性的特点。(3)对元件刻蚀后表面残留物进行分析,利用XPS进行元素的分析,得出其表面残留物主要元素包含碳、氧、氟、硅四种元素;利用纳米压痕仪记性力学性能分析,得出元件表面残留物弹性模量和硬度分别为95.6GPa和3.59GPa,此数值都明显低于单晶硅基底的弹性模量176.6GPa和硬度11.4GPa。(4)通过纳米压痕仪在单晶硅表面制造方便检测的划痕缺陷,利用自由基等离子体加工技术,得出加工时间在30min以内,表面划痕深度存在加深的趋势,而在加工时间达到60min后,表面划痕深度开始降低,该技术存在去除元件表面缺陷的可能性。(5)自由基等离子体加工硅基表面微结构探索实验中,利用自由基等离子体加工技术在光刻掩膜后的硅片表面进行微结构加工制备,在光刻胶和硅基底的刻蚀选择比合适条件下,可以将掩膜版上图案复刻到硅片表面;体现了自由基等离子体加工技术对表面微结构制备具有辅助作用。