專利名稱：利用復合掩膜進行反應離子深刻蝕二氧化硅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用復合掩膜進行反應離子深刻蝕二氧化硅的方法，具體的說，涉及一種利用抗刻蝕金屬膜和厚光刻膠相結(jié)合構(gòu)成的復合掩膜，用于二氧化硅的反應等離子刻蝕工藝中，制作二氧化硅平面光波導器件。
背景技術(shù)：
平面光波導技術(shù)由于能夠?qū)崿F(xiàn)光集成、光電混合集成、小型化以及批量生產(chǎn)等分離器件無法達到的優(yōu)勢，自出現(xiàn)以來一直被人們認為是光通信器件的發(fā)展方向，是光通信器件行業(yè)的一個研究的熱點。硅基二氧化硅波導由于其和ITU-T標準單模光纖能夠很好的實現(xiàn)模式匹配，并且其制作工藝可以借鑒相對成熟的集成電路半導體工藝，二者工藝有相通之處。
通常以反應等離子體技術(shù)為基礎(chǔ)的干法刻蝕是實現(xiàn)二氧化硅波導刻蝕的方法，以等離子體產(chǎn)生方式的不同，反應等離子體刻蝕技術(shù)基本可分為反應離子刻蝕、電子回旋諧振等離子體刻蝕、感應耦合等離子體刻蝕三大類。由于后二種類型的刻蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，成本高，在工業(yè)中得到實際應用只是近幾年的事情，而且應用并不普遍。在眾多實驗室和生產(chǎn)線上反應離子刻蝕設(shè)備依然是目前最主要的刻蝕設(shè)備，因此怎樣利用反應離子刻蝕設(shè)備實現(xiàn)二氧化硅波導結(jié)構(gòu)的刻蝕，具有十分重要的實際意義和運用價值。
反應離子刻蝕技術(shù)的特點是射頻偏壓高，工作壓強高，在刻蝕過程中會產(chǎn)生強烈的物理濺射作用，容易造成刻蝕掩膜的抗刻蝕能力降低，具體表現(xiàn)為其一是刻蝕掩膜線條側(cè)壁頂角的鈍化造成刻蝕結(jié)構(gòu)側(cè)壁垂直性下降，其二是刻蝕掩膜被離子濺射形成顆粒濺落到刻蝕區(qū)域產(chǎn)生微掩膜導致刻蝕表面粗糙。這些現(xiàn)象都將造成光波導傳輸性能的嚴重劣化，選擇合適的掩膜是解決這些問題的關(guān)鍵。目前反應離子刻蝕二氧化硅所采用的掩膜可分為金屬膜、介質(zhì)膜、有機膜等三種，其工藝特點如下1.采用金屬膜為掩膜進行二氧化硅刻蝕時，其工藝過程為(1)在波導層表面沉積一層金屬膜；(2)勻膠光刻制作波導圖形；(3)刻蝕金屬膜復制波導圖形到金屬膜層；
(4)去光刻膠；(5)以金屬膜為掩膜刻蝕二氧化硅波導層；(6)去殘留金屬膜層。
在有的工藝流程中也可以不去膠，即沒有第(4)步，在金屬膜上得到圖形后接著進行第(5)步，如US patent 6177290所述，但在此專利中光刻膠是在第(5)步的過程中就被刻蝕掉的，另外如US patent 6051346也同樣屬于金屬膜直接暴露在等離子體刻蝕的氣氛中。此時在反應離子刻蝕二氧化硅射頻偏壓較高的情況下，金屬膜容易被濺射產(chǎn)生微小顆粒導致刻蝕表面粗糙。為了減少表面粗糙的產(chǎn)生，目前的辦法只有減小射頻偏壓，以犧牲刻蝕速率和刻蝕效率為代價來換取刻蝕表面粗糙度的降低。
2.采用介質(zhì)膜為掩膜進行二氧化硅刻蝕時，其工藝過程為(1)在波導層表面沉積一層介質(zhì)膜，如非晶硅膜、多晶硅膜、氮化硅膜；(2)勻膠光刻制作波導圖形；(3)刻蝕介質(zhì)膜復制波導圖形到介質(zhì)膜層；(4)去光刻膠；(5)以介質(zhì)膜為掩膜刻蝕二氧化硅波導層；(6)去殘留的介質(zhì)膜層。
在反應離子刻蝕二氧化硅時，由于介質(zhì)膜抗刻蝕能力低，其線條側(cè)壁頂角由于受到多個方向高能量帶電離子的轟擊和反應粒子的作用，會出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象，隨著刻蝕深度的增加這種鈍化現(xiàn)象將越來越嚴重、越來越明顯，最終將導致二氧化硅波導刻蝕側(cè)壁頂角鈍化，刻蝕垂直性下降，線條寬度變窄，波導側(cè)壁粗糙等結(jié)果。為了提高刻蝕側(cè)壁的垂直性，目前的辦法為增加刻蝕掩膜的厚度，使掩膜線條邊緣的鈍化對波導層的刻蝕側(cè)壁產(chǎn)生劣化之前結(jié)束刻蝕，這樣只有部分厚度的介質(zhì)膜可以作為刻蝕掩膜，而產(chǎn)生鈍化的這部分介質(zhì)膜就不能被利用作為繼續(xù)刻蝕的掩膜。
3.采用有機膜為掩膜進行二氧化硅刻蝕時，最常見的情況是直接以光刻膠作為二氧化硅刻蝕的掩膜，其工藝過程為(1)勻膠光刻制作波導圖形；(2)以光刻膠為掩膜刻蝕二氧化硅波導層；(3)去殘留的光刻膠膜層。
由于有機膜材料的抗刻蝕能力同樣很差，其刻蝕結(jié)果和以介質(zhì)膜為刻蝕掩膜時類似，同樣存在有機膜線條側(cè)壁頂角易被攻擊鈍化的問題，只有增加有機膜的厚度才能避免刻蝕側(cè)壁頂角的鈍化，刻蝕垂直性的降低，線條寬度變窄，波導側(cè)壁粗糙等結(jié)果。同樣只有部分厚度的有機膜可以作為刻蝕掩膜，而產(chǎn)生鈍化的這部分有機膜就不能被利用作為繼續(xù)刻蝕的掩膜。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題和不足，而提出一種利用復合掩膜進行反應離子深刻蝕二氧化硅的方法，該方法解決了以金屬膜為刻蝕掩膜時，刻蝕表面粗糙、射頻偏壓不能過高、刻蝕速率不快的缺陷；避免單純以光刻膠為掩膜側(cè)壁頂角鈍化產(chǎn)生的負面影響；在刻蝕相同深度的前提下，所需要的光刻膠厚度可大為減少，降低了光刻工藝的難度，提高了光刻成品率和最小圖形分辨率；并且該方法簡單易實現(xiàn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明一種利用復合掩膜進行反應離子深刻蝕二氧化硅的方法，該方法包括以下步驟(1)在二氧化硅波導層表面沉積一層金屬膜；金屬膜的厚度為500至2000；(2)在金屬膜的表面旋覆光刻膠，經(jīng)過光刻工藝得到光刻膠圖形，光刻膠的厚度在0.2微米至20微米之間；(3)對金屬層刻蝕，把光刻膠圖形復制到金屬膜，光刻膠層繼續(xù)保留在樣片表面，與抗刻蝕金屬膜層結(jié)合構(gòu)成復合掩膜層；(4)將樣片放入反應離子刻蝕機的刻蝕腔體進行二氧化硅波導的刻蝕，二氧化硅的刻蝕氣體為含F(xiàn)等離子體，刻蝕射頻偏壓在50V～1200V之間，刻蝕工作壓強在2mtorr～300mtorr之間，刻蝕速率大于40nm/min，刻蝕側(cè)壁和刻蝕底面的夾角為90°±1°；(5)二氧化硅刻蝕深度在6微米至30微米之間，或在光刻膠未被完全刻蝕或剛好刻蝕掉時，結(jié)束刻蝕；所述的金屬膜2是一種高刻蝕選擇比金屬構(gòu)成的金屬膜或者是高刻蝕選擇比金屬材料任意組合復合形成的金屬膜，金屬膜的刻蝕選擇比在30∶1至300∶1之間；金屬膜優(yōu)選Cr、Al、Au、Ni膜。
復合掩膜層除金屬膜層上覆光刻膠層外，還可在金屬膜層上覆介質(zhì)膜層或有機聚合物膜層然后再上覆光刻膠層組成復合掩膜層。
本發(fā)明的復合掩膜層除用于反應離子刻蝕RIE工藝以外，同樣適用于電子回旋諧振等離子體刻蝕(ECR)工藝以及感應耦合等離子體刻蝕(ICP)工藝。
本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點和積極效果①解決了以金屬膜為刻蝕掩膜時，刻蝕表面粗糙、射頻偏壓不能過高、刻蝕速率不快的缺陷；
②免單純以光刻膠為掩膜側(cè)壁頂角鈍化產(chǎn)生的負面影響；③在刻蝕相同深度的前提下，所需要的光刻膠厚度可大為減少，降低了光刻工藝的難度，提高了光刻成品率和最小圖形分辨率；④方法簡單易實現(xiàn)。
下表為以不同掩膜進行二氧化硅波導刻蝕時的材料要求和刻蝕效果對比。



圖1復合掩膜結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是反應離子刻蝕模型的示意圖；圖3是刻蝕樣片光刻膠圖形側(cè)壁在刻蝕過程中完全鈍化的示意圖；圖4是刻蝕樣片光刻膠圖形側(cè)壁完全鈍化后繼續(xù)刻蝕的示意圖；圖5是去除殘留掩膜后的刻蝕樣片的示意圖；圖6是以本發(fā)明的金屬膜上覆光刻膠的復合掩膜技術(shù)進行反應離子刻蝕后去除殘留掩膜前的SEM照片，照片上的傾斜頂部為在刻蝕過程中鈍化的殘留掩膜；圖7是以本發(fā)明的金屬膜上覆光刻膠的復合掩膜技術(shù)進行反應離子刻蝕并去除殘留掩膜后二氧化硅波導的SEM照片。
具體實施例方式
本技術(shù)方案的具體實施過程結(jié)合附圖進一步說明1、在依次沉積了二氧化硅波導下包層和芯層的樣片上沉積一層金屬膜，金屬膜的厚度1500埃；金屬膜選用Cr、Al、Au、Ni組合形成的復合金屬膜。
2、在金屬膜上進行標準的光刻工藝，把掩膜版上的波導圖形復制到光刻膠上；3、刻蝕金屬膜，刻蝕方式可以是以化學腐蝕液腐蝕，也可以是等離子體刻蝕，如Cl2/O2，BCl3/O2等離子體系統(tǒng)，圖1是刻蝕金屬膜后得到的復合掩膜結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1為二氧化硅波導芯層，2為金屬膜層，3為光刻膠層；
4、把樣片放入反應離子刻蝕腔體，刻蝕二氧化硅，如CHF3/O2/Ar，CF4/O2/Ar，C4F8/O2/Ar等，刻蝕偏置電壓50V～1200V，工作壓強2mtorr～300mtorr，二氧化硅刻蝕速率大于40nm/min，二氧化硅刻蝕速率和金屬膜刻蝕速率之比在30∶1至300∶1之間，刻蝕深度在6微米至30微米之間。
5、刻蝕過程如圖2～圖4所示，圖中4為SiO2的刻蝕結(jié)構(gòu)，5為光刻膠的頂角鈍化，6為等離子體中的高能量帶電離子，7為等離子體中的反應粒子，8為光刻膠完全鈍化后起到抗刻蝕作用的金屬膜邊緣；隨著二氧化硅刻蝕深度的增加，光刻膠掩膜邊緣的鈍化越來越明顯，如果是單純以光刻膠為掩膜時，二氧化硅將在如圖3所示光刻膠完全鈍化后刻蝕側(cè)壁出現(xiàn)傾斜，而采用復合掩膜將阻止這種傾斜的發(fā)生；6、在光刻膠即將被完全刻蝕掉之前結(jié)束樣片的刻蝕，圖6為去除殘留掩膜前的SEM照片，照片上的傾斜頂部為在刻蝕過程中鈍化的殘留掩膜；7、用O2等離子體或者丙酮去掉殘留的光刻膠；8、用化學腐蝕液腐蝕掉二氧化硅波導表面的金屬膜。如圖5所示，為去掉所有殘留復合掩膜的二氧化硅波導結(jié)構(gòu)示意圖，圖7為去除殘留復合掩膜后二氧化硅波導的SEM照片。
本發(fā)明是利用了光刻膠在反應離子刻蝕過程中不會產(chǎn)生附著顆粒的優(yōu)點，從而可以保證在刻蝕的過程中不會出現(xiàn)微掩膜導致刻蝕區(qū)域在隨后的刻蝕中形成突起的現(xiàn)象；同時本發(fā)明還利用了Cr、Al、Au、Ni等金屬掩膜在含F(xiàn)等離子體刻蝕二氧化硅的時候刻蝕選擇比高的優(yōu)點，可以很好的阻止光刻膠在刻蝕過程中側(cè)壁鈍化后向二氧化硅刻蝕層的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移，從而保證了刻蝕側(cè)壁的垂直和光滑；本復合掩膜的另外一個特點是所需要的金屬膜厚度比單純以金屬膜作掩膜所需要的厚度要少，所需要的光刻膠厚度比單純以光刻膠作掩膜所需要的厚度也要少，從而可以大大減小成膜和光刻工藝的難度以及工藝成本。
權(quán)利要求
1.一種利用復合掩膜進行反應離子深刻蝕二氧化硅的方法，該方法包括以下步驟(1)在二氧化硅波導層表面沉積一層金屬膜；(2)在金屬膜的表面旋覆光刻膠，經(jīng)過光刻工藝得到光刻膠圖形；(3)對金屬層刻蝕，把光刻膠圖形復制到金屬膜，光刻膠層繼續(xù)保留在樣片表面，與抗刻蝕金屬膜層結(jié)合構(gòu)成復合掩膜層；(4)將樣片放入反應離子刻蝕機的刻蝕腔體進行二氧化硅波導的刻蝕；(5)二氧化硅刻蝕深度6微米至30微米之間，或在光刻膠未被完全刻蝕或剛好刻蝕掉時，結(jié)束刻蝕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于上述第(2)、(3)步驟中的復合掩膜層的形成可采用在金屬膜層上覆介質(zhì)膜層或有機聚合物膜層，然后再上覆光刻膠層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于上述第(4)步驟中可采用將樣片放入電子回旋諧振等離子體刻蝕機或感應耦合等離子體刻蝕機的腔體進行二氧化硅波導的刻蝕。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征在于所述的金屬膜是一種高刻蝕選擇比金屬構(gòu)成的金屬膜或者是高刻蝕選擇比金屬材料任意組合復合形成的金屬膜，其中金屬膜的刻蝕選擇比在30∶1至300∶1之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述金屬膜優(yōu)選為Cr、Al、Au、Ni膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征在于二氧化硅的刻蝕氣體為含F(xiàn)等離子體，刻蝕射頻偏壓在50V～1200V之間，刻蝕工作壓強在2mtorr～300mtorr之間，刻蝕速率大于40nm/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征在于所述金屬膜的厚度為500至2000。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征在于所述光刻膠的厚度在0.2微米至20微米之間。
全文摘要
本發(fā)明采用金屬膜層和光刻膠層相結(jié)合的復合掩膜技術(shù)，實現(xiàn)對二氧化硅的深刻蝕工藝，屬于光通訊領(lǐng)域以及半導體領(lǐng)域。本發(fā)明利用光刻膠在反應離子刻蝕過程中不易產(chǎn)生附著顆粒，以及Cr、Al、Ni等金屬掩膜在含F(xiàn)等離子體刻蝕二氧化硅的時候刻蝕選擇比高的特點。解決了以金屬膜為刻蝕掩膜時，刻蝕表面粗糙、射頻偏壓不能過高、刻蝕速率不快的缺陷，同時可以避免單純以光刻膠為掩膜側(cè)壁頂角鈍化產(chǎn)生的負面影響。本復合掩膜的另外一個特點是所需要的金屬膜以及光刻膠厚度比單純以金屬膜或光刻膠作掩膜時所需要的厚度都要少，可以減小成膜工藝和光刻工藝的難度以及工藝成本，提高光刻成品率和最小圖形分辨率，而且實現(xiàn)簡單。
文檔編號G02B6/13GK1560657SQ20041001281
公開日2005年1月5日 申請日期2004年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月5日
發(fā)明者周立兵, 劉 文, 傅焰峰, 代曉光 申請人:武漢光迅科技有限責任公司