2.5微米厚α相钽薄膜的各向异性反应离子刻蚀及其在表面微加工中的应用研究

推荐：为解决厚α相钽（α-Ta）薄膜各向异性刻蚀难题，研究人员通过Ar/CF4反应离子刻蚀（RIE）系统探究了气体配比、压力、功率等参数对刻蚀速率和侧壁形貌的影响。研究发现5:1的Ar:CF4比例结合20 mTorr低压可实现2.5 μm厚α-Ta的垂直侧壁刻蚀，为微机电系统（MEMS）和集成电路屏障层提供了低毒性工艺方案。

　　

在微纳加工领域，钽（Ta）薄膜因其独特的电学和热力学性能成为集成电路屏障层和微机电系统（MEMS）器件的关键材料。其中立方晶系的α相钽（α-Ta）因其低电阻率（15–60 μΩ•cm）和高温稳定性备受青睐，但传统湿法刻蚀难以实现其厚膜（>1 μm）的垂直侧壁结构。更棘手的是，α-Ta比β相更难刻蚀，且现有研究多聚焦于薄膜（<400 nm）或高毒性氯氟气体体系。如何用常规低毒性氟基化学实现2.5 μm厚α-Ta的各向异性刻蚀，成为制约MEMS器件性能提升的瓶颈。

为攻克这一难题，国内某研究团队在《Micro and Nano Engineering》发表论文，通过系统优化平行板反应离子刻蚀（RIE）参数，首次实现了2.5 μm厚α-Ta薄膜的高各向异性刻蚀。研究采用Ar/CF₄混合气体，结合光学发射光谱（OES）实时监测等离子体组分，探究了氧气添加、Ar:CF₄比例（0.4:1至5:1）、压力（20–160 mTorr）和功率（44–200 W）对刻蚀速率和侧壁形貌的影响。

关键实验方法
研究采用DC磁控溅射在Cr种子层上沉积2.5 μm α-Ta薄膜，通过X射线衍射（XRD）确认相纯度。刻蚀使用Trion Phantom II RIE系统，以45 nm Cr为硬掩模，通过扫描电镜（SEM）评估侧壁角度，轮廓仪测量刻蚀速率。光学发射光谱（OES）分析703.68 nm（F）和750.38 nm（Ar）特征峰强度，采用氩气作为化学荧光参比物计算氟自由基密度。

研究结果

1. 氧气对刻蚀的负面影响
   添加O₂虽通过消耗CF_x使氟密度提升1.7倍（1 sccm时刻蚀速率达359 nm/min），但严重破坏侧壁钝化层，导致1 μm线条完全坍塌（图6b）。3 sccm O₂时Ta表面氧化反而使速率骤降至63 nm/min，证实O₂不适于各向异性刻蚀。

2. 氩气比例的关键作用
   Ar:CF₄=5:1时（总流量36 sccm），离子辅助刻蚀效果最佳。30 sccm Ar⁺的高能轰击使侧壁角度接近90°（图8c），尽管氟密度略降导致刻蚀速率从20 sccm时的峰值123 nm/min降至99 nm/min，但实现了刻蚀速率与各向异性的平衡。

3. 低压提升各向异性
   20 mTorr低压下，离子平均自由程延长使Ar⁺动能提升，同时较低的F:CF_x比例（图9a）促进侧壁钝化。相较于160 mTorr时的显著横向刻蚀（图10a），20 mTorr压力下2.5 μm深槽的侧壁垂直度偏差<3°（图10f），刻蚀速率维持在85 nm/min。

4. 功率的复杂效应
   尽管85 W功率使刻蚀速率提升至210 nm/min（图11b），但样品温度升至72°C（图11c）可能破坏钝化层稳定性。44 W功率在保证速率（110 nm/min）的同时，温度仅49°C，更利于保持线条尺寸精度（图12a）。

结论与意义
该研究确立了Ar:CF₄=5:1、20 mTorr、44 W的优化参数组合，首次实现2.5 μm厚α-Ta的垂直侧壁刻蚀。其创新性在于：① 采用常规RIE设备和低毒性氟基化学替代高风险的Cl₂/NF₃体系；② 通过OES实时监控阐明F/CF_x平衡机制；③ 为MEMS器件（如陀螺仪、加速度计）提供高密度（7倍于多晶硅）且低温兼容（<150°C）的结构材料解决方案。该工艺已具备向4英寸晶圆扩展的基础，对推动"MEMS后道"集成工艺发展具有重要价值。