通过在离子铣削过程中控制掩模锥角和离子入射角，可以实现无台阶的表面轮廓

《Vacuum》：Step-free profiles by controlling the mask taper angle and ion incident angle in ion milling

　　

摘要

在本研究中，我们采用了Ar离子进行离子铣削实验，通过实验和分析方法探讨了材料去除的基本机制。实验中，在Si基底上形成了SiO₂层和掩模图案，并通过热处理控制了掩模的锥角，锥角范围为40至80度。通过改变离子入射角度进行了加工实验，并评估了所得表面的形貌和轮廓演变。同时，还通过数值模拟分析了SiO₂轮廓随掩模锥角的变化情况。研究结果表明，SiO₂轮廓中台阶结构的形成受到掩模锥角与离子入射角之间关系的控制。特别是，当离子入射角大于掩模锥角时，阴影效应起着主导作用，导致形成台阶结构。这些结果为理解离子铣削机制提供了系统性的认识，并为实现高精度的轮廓控制提供了依据。

引言

用于微机电系统（MEMS）[1]、光电子/光子学[2]、微流体设备[3]和硅通孔（TSVs）[4]等应用的三维（3D）微结构的大规模制造正迅速增长。对于这类高纵横比（HAR）结构，普遍采用深反应离子刻蚀（DRIE）技术，包括Bosch工艺[5]、低温工艺[6][7]以及亚微米沟槽制造[7]。然而，对侧壁粗糙度、锥角、纵横比依赖性刻蚀（ARDE）、层状结构以及与后续工艺的兼容性等关键特性的精确控制仍是一个重大挑战。在SiO₂/SiN多层结构中，ARDE会导致沿刻蚀深度的轮廓严重退化[8][9]。在Al/TiN多层结构中，反应性的差异会导致沉积副产物的积累，从而形成台阶；而过量的副产物则会引起由Cl自由基引起的腐蚀[10][11][12][13]。在由难以刻蚀的材料（如三元化合物[14][15][16]、铱（Ir）[17]和铂（Pt）[18][19]）组成的多层结构中，副产物也会在后续处理过程中导致台阶形成。为解决这些问题，消除离子角分布函数（IADF）的变化至关重要，因为这些变化会直接影响刻蚀裕度和层状结构的形成。

离子铣削、聚焦离子束（FIB）和离子束刻蚀（IBE）技术[20][21][22][23][24][25][26][27][28][29][30]基于物理溅射过程，能够直接控制关键的物理参数——离子入射角。这种控制独立于化学去除反应，从而避免了由副产物引起的腐蚀和轮廓退化。因此，离子铣削可以减少多层结构中的台阶形成，并实现上锥角、下垂直度、底部圆化以及侧壁条件的独立控制。然而，离子方向、离子入射能量、样品台旋转、离子扫描和微特征几何形状之间的相互关系尚不完全清楚。

在本研究中，我们利用IBE技术研究了刻蚀轮廓的演变过程，其中改变了掩模锥角，并将离子入射角作为关键参数。基于实验结果，我们开发了一种基于IBE的方法来制备所需的轮廓。值得注意的是，研究观察到了特征性的“两步轮廓”现象，并从工艺参数（包括掩模条件和铣削条件）的角度讨论了其形成机制。此外，还成功制备出了无台阶形成的理想轮廓，适用于后续的沉积工艺。

部分摘录

样品制备

样品的制备过程如下：首先，通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在硅基底上沉积了500纳米厚的SiO₂层（图1(a)）。随后，在SiO₂层上形成厚度为1000至5000纳米的有机抗蚀剂掩模（聚羟基苯乙烯树脂），并利用步进光刻机（Canon）定义了正方形的光刻图案（间距80微米）（图1(b)）。最后进行了热处理。

掩模锥角的依赖性

首先，我们在140°C至170°C的温度范围内对图案化的掩模进行了热处理，每次升温5°C，从而使掩模锥角从80°变为40°（图3）。这表明可以通过调整加热温度系统地控制掩模锥角（图4）。

离子入射角的依赖性

在掩模锥角固定为80°的情况下，SiO₂的锥角在较低离子入射角度下变化不大（图5）。然而，当入射角度超过约60°时，上下部分的锥角开始发生变化

讨论

当掩模锥角大于离子入射角时，阴影效应限制了离子流向下部区域，最初形成近乎垂直的轮廓，随后由于副产物的沉积导致侧壁逐渐变细，最终形成两步结构。

相反，当掩模锥角小于离子入射角时，离子可以无障碍地照射到底部区域，从而在整个过程中形成连续渐变的轮廓

结论

本研究证明，离子铣削可以在45°–75°的范围内实现均匀的锥角控制。此外，两步结构的形成受到掩模锥角与离子入射角之间关系的影响：当离子入射角大于掩模锥角时会产生两步结构，而避免这种情况则可以实现连续渐变的轮廓。研究还确定了最佳工艺条件

CRediT作者贡献声明

Kenji Ishikawa：撰写、审稿与编辑、可视化、项目管理和方法论设计、实验研究。Kokichi Fujimoto：撰写、审稿与编辑、方法论设计、实验研究。Takashi Usui：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据管理、概念构思

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

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