355 nm全固态紫外激光刻蚀碳化硅影响因子分析*

雷 程, 张成印，梁 庭, 李奇思, 王文涛

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原 030051； 2.动态测试技术山西省重点实验室,山西 太原 030051)

0 引 言

随着当前信息时代的不断发展,传感器在航空航天、工业生产、通讯电子等众多领域都有着广泛的应用。刻蚀工艺作为传感器制备过程中的关键工艺也得到了传感器制造行业的高度重视。目前,硅的刻蚀工艺包括化学湿法腐蚀、干法等离子体刻蚀和激光刻蚀等工艺已经十分成熟[1～3],实验证明可以达到良好的刻蚀效果并已经应用于器件的制造中,但由于硅材料本身耐化学腐蚀性较差,且在超过500 ℃的高温环境中容易发生塑性变形[4,5],以上性质严重限制了硅材料在高温恶劣环境下的应用。

碳化硅作为一种新兴的半导体材料因其高硬度、高熔点和强导热性而在高功率和恶劣环境应用领域受到了广泛关注[6～10]。2014年,Tseng Y H等人[11]使用NF3,HBr和O2的混合气体对4H-碳化硅(SiC)衬底进行了反应离子刻蚀(reactive ion etching,RIE)刻蚀效果较好,并讨论了每种气体的添加效应及其各自对微沟形成的缓解机制。但是反应离子刻蚀由于其设备功率等因素的限制,刻蚀速率较慢,无法满>足深刻蚀的需求。2012年,Choi J H等人[12]通过镍掩模的方式使用SF6/O2气体对碳化硅晶圆进行感应耦合等离子体(inductively coupled plasma,ICP)刻蚀,刻蚀速率达到550 nm/min,刻蚀效果较好,但是由于SF6气体对于常规光刻胶的选择比较低,所以往往进行ICP刻蚀时需要使用金属硬掩模,增加了工艺的复杂性及成本。激光刻蚀的图形可以通过AutoCAD作图的方式直接完成,刻蚀深度可达到微米(μm)级别,大大提高了材料刻蚀的速率。

本文使用355 nm全固态紫外(UV)激光加工平台对碳化硅晶圆进行微通道的刻蚀,实验过程采取单一变量原则,对激光能量密度等影响因子进行分析,并结合实验结果得出刻蚀碳化硅的最佳参数。

1 实 验

1.1 实验材料

本文所用碳化硅材料为4 in(l in=2.54 cm)的4H-SiC晶圆,整个实验过程主要由预处理、激光刻蚀和刻蚀后清洗三部分组成。预处理的主要作用是去除晶圆表面存在的杂质,避免对刻蚀效果造成影响,本文采用有机清洗的方式,将晶圆先后浸入丙酮溶液和无水乙醇溶液中超声5 min,之后使用去离子水冲洗,最后使用氮气吹干备用。还需对碳化硅晶圆进行清洗。具体清洗步骤为：首先将刻蚀后的碳化硅晶圆浸入配比为H2SO4︰H2O=3︰1的溶液中在120 ℃下持续清洗15 min,然后将晶圆浸入RCA1清洗液(NH4OH︰H2O2︰H2O=1︰2︰7)中,80 ℃水浴加热5 min,最后再次进行一遍预处理的清洗步骤。

1.2 实验设备

实验所用加工系统为苏州德龙激光公司生产的FPS紫外微加工系统。其中,系统核心装置紫外激光器的主要技术参数:激光波长为355 nm,脉宽为10～25 ns,重复频率为20～100 kHz,单脉冲能量为0～300 μJ,光斑模式为TEM00(M2<1.3)。

实验过程中使用的激光光斑直径为80 m。实验完成后需要对实验结果进行表征和分析,本文使用激光共聚焦显微镜(Olympus LEXT OLS4100,日本)对刻蚀后的样品进行观察,使用台阶仪(KLATENCOR P—7,美国)进行刻蚀深度的测量,使用场发射扫描电子显微镜(ZEISS SUPRA 55 SAPPHIRE,德国)观察刻蚀截面的整体形貌。

2 结 果

2.1 激光密度

实验采取单一变量的原则,设置重复频率30 kHz,扫描速度0.2 mm/s,扫描次数1次的固定参数,使用不同的能量密度对碳化硅进行微通道的刻蚀,刻蚀结果如图1所示。

从图1中可以看出,在相同倍数的共聚焦显微镜下观察,不同能量密度条件下刻蚀微通道的宽度几乎相同,但是边缘的粗糙程度及刻蚀深度有较大差异。当能量密度为2.443 J/cm2时刻蚀无法出现完整的微通道；当能量密度增加到4.218 J/cm2时,刻蚀出现完整的碳化硅微通道,刻蚀深度为12.027 μm,但是微通道边缘出现较为严重的崩边现象,崩边宽度最大可达14.860 μm；继续增加能量密度至6.321 J/cm2刻蚀深度增加值23.202 μm,并且崩边现象有所减轻,最大崩边宽度减小至12.158 μm；能量密度为8.639 J/cm2时,刻蚀深度为29.212 μm,崩边宽度为7.768 μm；能量密度为10.926 J/cm2时,刻蚀深度为30.940 μm,崩边宽度为10.469 μm；能量密度为15.711 J/cm2时,刻蚀深度为32.484 μm,崩边宽度为14.184 μm,并且在刻蚀起始区域的微通道边缘出现了严重的烧蚀现象。

图1 不同能量密度刻蚀结果

对于上述现象及数据进行分析,激光刻蚀的原理为雪崩电离机制[13],能量密度为2.443 J/cm2时,由于能量密度过低,激光所产生的热量整体达不到碳化硅的熔点,所以只是在刻蚀起始区域形成部分微通道;而当能量密度提高到4.218 J/cm2时,该条件下虽然可以刻蚀出完整的碳化硅微通道,但是由于能量密度还是偏小,激光所产生的热量无法导致刻蚀部位的材料充分熔化,所以出现较大崩边;当能量密度提升至8.639 J/cm2,刻蚀出现的崩边达到最小的7.768 μm,能量密度继续增加崩边有变大,出现这种情况的原因可能为,当能量密度过大时,刻蚀过程出现的材料蒸汽密度过大,从而对激光的直射形成一定的遮挡效果,导致刻蚀效果的变差,这点从刻蚀深度的变化情况也可以看出来,当能量密度超过7.768 μm时,刻蚀深度增加速率出现明显的减缓。从图1(a1)～(a7)中可以看出,激光功率计在刻蚀开始时会出现一定的功率波动,相较于整个刻蚀过程,起始位置的功率较大。

2.2 重复频率

根据上述实验结果,设置能量密度为8.639 J/cm2,扫描速度0.2 mm/s,扫描次数1次的固定参数,研究不同重复频率条件下刻蚀碳化硅微通道的效果,刻蚀结果如图2所示。

如图2所示,当重复频率为25 kHz时,微通道刻蚀边缘表现出较好的形貌,最大崩边为6.754 μm,刻蚀深度为46.127 μm;增加重复频率至35 kHz,崩边尺寸也增大到9.456 μm,刻蚀深度减小为23.600 μm；继续增加重复频率至40 kHz,崩边最大为12.146 μm,刻蚀深度只有12.814 μm,并且在微通道的刻蚀边缘出现材料的烧蚀现象。

图2 不同重复频率刻蚀结果

当能量密度一定时,重复频率的增加会使得激光峰值功率减小,所以当重复频率为25 kHz时,激光峰值功率较大,材料可以吸收较多能量,从而更好地发生气化现象,流入通道内部的熔融物质也发生气化现象从通道中排出,所以刻蚀深度较深；而重复频率与激光的脉宽成正比关系,因此重复频率越小,激光的脉宽也越小,导致激光脉冲作用在材料上的时间变短,有效地降低了材料同一位置由温度梯度所产生的热应力,从而形成较好的刻蚀边缘。图2(c)所出现的烧灼现象,可能是由于重复频率过大,刻蚀过程中出现了块状的熔融物质无法完成气化而溅落在微通道的边缘,对边缘产生了烧灼,而溅落的块状熔融物在最后的清洗过程中被清洗掉,最终只留下被烧蚀的材料。

2.3 扫描速度

调整实验参数,设置重复频率为25 kHz,其他条件保持与上述条件一致,探究激光扫描速度对刻蚀效果产生的影响,如图3(a)～(f)所示。

图3 不同扫描速度刻蚀结果

由图3可以看出,当扫描速度为1 mm/s时,微通道边缘的崩边为9.642 μm,刻蚀深度为14.865 μm,同时可以观察到通道内部有明显的由于刻蚀不充分形成的半圆形沟壑；降低速度为0.5 mm/s,崩边为8.781 μm,刻蚀深度为23.463 μm,沟壑形貌明显减轻；当速度为0.3 mm/s时,沟壑形貌完全消失,同时崩边减小至7.462 μm,深度为33.181 μm；速度降低至0.2 mm/s时,崩边为6.744 μm,刻蚀深度为45.944 μm；当速度为0.1 mm/s时,崩边只有4.053 μm,刻蚀深度为46.171 μm。

激光重叠率与扫描速度呈反比关系,所以,随着扫描速度的增大激光重叠率减小,扫描速度的快慢直接影响着激光的重叠率,扫描速度越大,激光的重叠率越小,导致相同时间内材料吸收激光的能量较少,所以刻蚀深度随着扫描速度的增大而减小,刻蚀速度达到0.5 mm/s时,由于材料吸收能量过低而导致通道内部形成半圆形沟壑的刻蚀不完全形貌。同时,扫描速度增大也会导致材料同一位置接收的脉冲数减小,使得能量无法传递到材料内部,更多能量聚集在材料表面,促使了崩边现象的加重。根据图3(f)的数据可知,当扫描速度低于0.2 mm/s时,扫描速度对刻蚀深度的影响有明显的减弱,这说明碳化硅吸收能量所能达到的最大刻蚀深度为46 μm左右。

2.4 扫描次数

根据上述实验所得出最优结果,设置能量密度为8.639 J/cm2,重复频率为25 kHz,扫描速度为0.1 mm/s,进给距离0.04 mm的固定参数,探究不同扫描次数对刻蚀效果的影响,对刻蚀后的碳化硅晶圆进行截面的微观观察,为保证截面结构的原始性和完整性,本文采取在刻蚀后的样品背部通过激光刻蚀的方法刻蚀一定深度,之后使用机械应力的方式使晶圆沿晶向发生自然断裂,实验结果如图4(a)～(d)所示。

图4 不同扫描次数刻蚀结果

扫描次数为1次时,刻蚀深度为46.261 μm,刻蚀底面出现舷窗效应的形貌；扫描次数为2次时,刻蚀深度为60.031 μm,底部较为平整,舷窗效应消失；扫描此时为3次时,刻蚀深度为86.159 μm,刻蚀底面刻蚀出现一定的锥度,经测量锥度为7.5°；增加扫描次数至4次,刻蚀深度达到111.613 μm,同时锥度增加至12.4°。

激光扫描第一次时直接作用于碳化硅晶圆的表面,由于激光中心的能量大于边缘能量,所以，边缘区域有部分材料无法气化喷射出微通道而形成熔融物沿通道边缘留下,熔融物所带高温会导致底部材料进一步熔化,会形成舷窗效应形貌。而熔融物随着温度逐渐降低会形成重凝物,通道中部也会形成少部分重凝物,重凝物会对激光的再次刻蚀产生阻挡效果,所以当扫描次数继续增加时,刻蚀深度的变化减缓,边缘重凝物比中部重凝物多,是形成刻蚀通道锥度的原因。

3 结束语

本文使用355 nm全固态紫外激光对碳化硅材料进行直写刻蚀,主要探究了4个关键影响因子：激光能量密度、重复频率、扫描速度和扫描次数对刻蚀效果的影响,在保证其他条件不变的情况下,通过改变一个条件的参数来获得不同的刻蚀结果并对刻蚀结果进行微观观察及测量,根据测量结果得到各项影响因子的最优解,并对各项参数对刻蚀形貌所产生的影响进行原理上的分析。根据上述实验结果,当设置能量密度为8.639 J/cm2,重复频率为25 kHz,扫描速度为0.1 mm/s,扫描次数为2次时,刻蚀的微通道边缘崩边最小且底部较为平整。研究结果对后续使用激光进行碳化硅刻蚀时的参数选取具有一定的参考价值。