專利名稱：在表面上形成硅層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)元件制造領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及一種在表面上形成相對較厚的硅層的方法，尤其是在一或多個待進行活性離子蝕刻的硅石層上提供硅掩膜的方法。
在平面集成光學(xué)器件領(lǐng)域，在平面光學(xué)元件的制造過程中，經(jīng)常需要對硅石(純硅石或含添加劑的硅石)層進行蝕刻以限定出諸光學(xué)元件。為實現(xiàn)元件中諸如波導(dǎo)、光柵、透鏡等之類的光學(xué)裝置的跟蹤，要求有非常精確的圖案。而且，經(jīng)常需要對彼此層疊而連續(xù)的多個硅石層(通常是一個芯層和一或多個覆蓋層)進行涂覆和形成圖案。
在這種硅基光學(xué)元件的制造過程中，為了獲得所形成的裝置所需的精確度(分辨率)，硅石層的圖案形成最好采用活性離子蝕刻來實現(xiàn)。蝕刻的質(zhì)量會受到形成蝕刻掩膜所用的材料的很大影響。
目前已經(jīng)將不同種類的掩膜材料用于該蝕刻工藝諸如鋁、鈦、鉻、鎳、光致抗蝕劑或硅。金屬掩膜通常不會得到另人滿意的效果，原因有二。第一，在掩膜層的涂覆過程中，金屬顆粒會增大，這在接下來的蝕刻工序中會使蝕刻腔側(cè)壁粗糙(通常從所需的側(cè)壁平面偏離＞0.1微米)。這種粗糙度在光學(xué)裝置使用時會造成光學(xué)損失。此問題在采用鋁掩膜的情況下尤為顯著。第二，在硅石的活性離子蝕刻過程中，金屬掩膜材料會發(fā)生濺射。由于金屬原子是非揮發(fā)性的，它們重復(fù)地涂覆于蝕刻區(qū)域而再次產(chǎn)生粗糙度問題。光致抗蝕劑(通常是聚合物掩膜)在要求進行硅石深度蝕刻的場合下有主要有三個缺點。第一，硅石與聚合物掩膜之間的蝕刻選擇性比率較低(約為2∶1)，因而在需要對硅石進行深度蝕刻時必須提供較厚的掩膜層。使用約厚于7微米的聚合物層會導(dǎo)致蝕刻分辨率的降低。第二，在蝕刻工序中，聚合物材料會流動，因而造成蝕刻出的圖案變形。第三，在使用聚合物掩膜的情況下，蝕刻工序中可以使用的功率密度是有限的，因而延長了完成蝕刻所需的時間。
為了解決上述問題，需要提供一種掩膜材料，它可將具有良好耐蝕刻條件能力但在等離子體中仍具有揮發(fā)性的這兩個相矛盾的特性結(jié)合在一起。硅可符合這些要求。硅已經(jīng)被用于一種掩膜材料，以在電子元件的制造過程中實現(xiàn)硅石的活性離子蝕刻?？梢詫崿F(xiàn)約10∶1的選擇性。
現(xiàn)在，當(dāng)試圖使用硅作為硅石蝕刻的掩膜材料以用于制造光學(xué)元件時，經(jīng)常需要進行硅石層(或?qū)盈B)的深度蝕刻，因而需要有大于1微米的硅掩膜。然而，當(dāng)試圖用傳統(tǒng)的真空蒸發(fā)物理蒸氣涂覆技術(shù)在硅石上形成這種厚度的硅層時，所得到的硅層有較高的應(yīng)力。當(dāng)使用電子束蒸發(fā)法來涂覆硅層時，會有400MPa的拉應(yīng)力。當(dāng)用濺射法來涂覆硅層時，可測得約400MPa的壓應(yīng)力，并產(chǎn)生較大的顆粒尺寸(使蝕刻出的側(cè)壁變得粗糙)。這些較高的應(yīng)力可引起晶片變形，導(dǎo)致平板印刷工序中精度下降。在2微米厚硅層的情況下，這種應(yīng)力太大以致于在光學(xué)層中產(chǎn)生裂縫，從而導(dǎo)致元件毀壞。
本發(fā)明的較佳實施例提供了一種形成硅層的方法，尤其是形成大于1微米厚硅層的方法，它可使所形成的層中的應(yīng)力被控制在可接受的等級。更具體地說，本發(fā)明提供了一種在表面上形成硅層的方法，它包括用物理涂覆工藝在所述表面上涂覆硅以及在所述涂覆工藝過程中使形成中的膜受離子轟擊。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用物理涂覆工藝在一表面上形成硅層、并使形成的層受離子束轟擊時，即使在于硅石層(或若干層)上形成相對較厚的硅層的情況下，也可以顯著降低所得到硅層中的應(yīng)力。
在本發(fā)明的較佳實施例中，基本的物理涂覆工藝是電子束蒸發(fā)。該技術(shù)允許對涂覆工藝進行閉環(huán)控制，結(jié)合對形成膜進行離子轟擊，可實現(xiàn)對硅層特性的精確調(diào)整。
使用本發(fā)明的方法在硅石層上形成硅掩膜，可使活性離子蝕刻能被用于硅石的深度蝕刻，從而獲得較高的蝕刻分辨率，同時避免了側(cè)壁粗糙的問題。另外，在使用該技術(shù)來形成彼此層疊的多層形成有圖案的硅石層的過程中，已經(jīng)證明了可降低晶片的變形。而且，在活性離子蝕刻過程中可以使用正常的功率密度，因而不會不合適地延長蝕刻過程。
本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點將通過下面以實例方式對其一較佳實施例所進行的描述而變得清楚，該實施例示于附圖中，其中

圖1是適合于實施本發(fā)明的方法的一裝置的示意圖；圖2示出了一已形成圖案的硅石層的制造工藝，在該工藝中，硅掩膜通過本發(fā)明的方法來制造，圖2A到2H表示該制造工藝的不同工序。
下面將參照圖1來描述本發(fā)明的一較佳實施例。在本發(fā)明的該實施例中，采用電子束蒸發(fā)工藝來從一硅源釋放硅原子，用于涂覆于一硅石層(或?qū)盈B)上，后者形成于一通常由硅石制成的基底上。同時，氬離子朝基底發(fā)射氬離子，以轟擊處于成形過程中的硅膜。
如圖1所示，本發(fā)明的方法在一真空腔1內(nèi)進行，其真空由一個泵(未圖示)通過一孔2來維持。硅4設(shè)置在一坩堝5中，該坩堝用作一電子槍6的正極。電子槍所產(chǎn)生的電流由一電子槍控制裝置7控制。來自電子槍的電子朝著硅被加速并使硅加熱，從而造成硅原子的蒸發(fā)。蒸發(fā)的硅原子朝真空腔的頂部(應(yīng)優(yōu)選朝上的蒸發(fā)，以避免表面受灰塵污染)冷凝于真空腔壁上和一位于基底10表面上的一硅石層上，該基底(例如由硅石制成)設(shè)置在一基底保持架1上。按照本發(fā)明的工藝，雖然并不一定要使基底加熱，但也可設(shè)置一加熱器12，以使基底的溫度維持在例如100℃，從而促進涂覆的硅原子粘接于硅石層。真空腔中設(shè)置一活動開閉器15，用以根據(jù)需要中斷硅原子在硅石層上的涂覆。
迄今為止，該裝置的結(jié)構(gòu)仍與用于硅的電子束蒸發(fā)的傳統(tǒng)裝置相同。然而，除了上述部件，圖1的裝置還包括一設(shè)置用來朝基底10發(fā)射離子束的離子槍20。在該實例中，該離子槍是“Plasmion”牌的，但也可以采用其它的離子槍來代替。離子槍通過一入口22被提供以氬氣，并產(chǎn)生氬離子(Ar+)，這些氬離子以相對于到達的硅原子的轟擊方向成約30°角的方向轟擊于基底上。離子束電流和能量由一離子槍控制裝置23控制。
下面將描述本發(fā)明的較佳實施例的方法。硅源4置于設(shè)置在真空腔1中的坩堝5內(nèi)，在基底保持架1中設(shè)置有一或多個基底10。然后，真空腔通過孔2被抽空。接著啟動離子槍20，當(dāng)它達到一穩(wěn)定工作狀態(tài)(通常在幾分鐘后)，電子槍6啟動以使硅開始蒸發(fā)。當(dāng)蒸發(fā)達到一穩(wěn)定狀態(tài)時，移開開閉器15，從而在硅源與基底10之間留一條自由通路。以這種方式，撞擊并粘附于硅石層上的硅原子位于基底10的表面上，形成中的硅膜受到氬離子的轟擊。
例如可以通過設(shè)置一連接于基底保持架11的壓電裝置來監(jiān)控膜成形工藝的進程。壓電裝置的振動頻率隨所涂覆的硅量的增大而變化。當(dāng)已涂覆了所需量的硅后，開閉器15移回到阻礙硅原子到達基底的位置，并關(guān)閉離子槍22。
按本發(fā)明的工藝生產(chǎn)的硅層中所測得的應(yīng)力取決于硅涂覆過程中抵達位于基底上的外層的硅原子與氬離子的數(shù)量之比。在每10個硅原子不到1個離子抵達基底(或更準(zhǔn)確地說是位于基底上的外層)的情況下，應(yīng)力相對于傳統(tǒng)工藝所得到的結(jié)果下降得較小(低于20％)。而對于抵達基底的每10個硅原子有1個以上離子的比率，這種降低就變得顯著起來。較好的是，使工作狀態(tài)固定在能確保高于每10個原子有1個離子的比率，更好的是，確保抵達基底的每10個硅原子有2個離子的數(shù)量級。在這些狀態(tài)下，硅層中測得的應(yīng)力對于1微米厚的層來說可低于200MPa，對于2微米厚的層來說可低于400Mpa，等等。
抵達基底上的外表面的離子和原子的數(shù)量分別取決于離子槍20和電子槍6的電流，因而很容易控制。而且，抵達基底上的外表面的離子和原子的最佳數(shù)量比隨離子轟擊中所采用的離子的特性而變化。
試驗中所采用的離子槍的模型產(chǎn)生12mA的最大電流。通常，流到離子槍的氬的流率為1.5到3.0sccm，離子能量為50eV到100eV的范圍內(nèi)，離子槍出口處的離子電流密度為每1到2mA/cm2，總離子電流為10到12mA。在這種狀態(tài)下，可以保持較高的硅涂覆速度，通常約為10到20埃米/秒。但是，可承受更高電流的離子槍應(yīng)該能實現(xiàn)更高的硅涂覆速度和/或在表面積更大的晶片上保持相同的涂覆速度。
試驗中所采用的離子槍的模型非常有效，它可使氣體流量非常微弱，從而在真空腔中保持較低的工作壓力(通常在1到2×10-4乇左右)。
轟擊成形中的硅膜所用的離子的能量在50eV到100eV范圍內(nèi)。太高的離子能量無法獲得本發(fā)明的優(yōu)點，而相反會導(dǎo)致本來就很容易發(fā)生的、硅原子從層上射出。
如上述這樣實施本發(fā)明的方法，用以在形成于一1毫米厚、4英寸直徑的硅石晶片上的一硅石層上形成一1微米厚的硅膜。在該硅涂覆過程中，每10個硅原子伴隨有2個氬離子抵達基底。硅膜中測得的應(yīng)力為100Mpa。這表明應(yīng)力相對于在用普通電子束蒸發(fā)所形成的同等硅膜中所測得的400Mpa的應(yīng)力有顯著降低。由于這種應(yīng)力的降低，本發(fā)明的方法可以在硅石層上形成厚度比以前所可能獲得的值更大的硅膜。例如，如今在一硅石層上形成一2微米厚的硅層已變得可行，而不會產(chǎn)生裂縫。這可以在硅石上形成較厚的硅掩膜(≥1微米)，以便接下來用活性離子蝕刻的方法使硅石形成圖案。
下面參照圖2來描述一種用活性離子蝕刻形成硅石層圖案的典型工藝，該工藝包括一個用本發(fā)明的方法形成硅掩膜層的工序。
圖2A表示用傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的一涂覆有一硅石層的硅石晶片10。與通常的一樣制備需要涂覆蝕刻掩膜的表面。而后，如圖2B所示，按參照圖1所述的那樣在硅石層上涂覆一硅層40。在需要對硅石進行深度蝕刻的情況下，該硅層40可以為1微米厚。分別如圖2C和2D所示，接下來將一光致抗蝕劑50涂覆于硅層40上，然后使該光致抗蝕劑曝光并顯影，以暴露出下面硅層的選定區(qū)域。硅層的暴露部分例如可使用SF6(圖2E)通過活性離子蝕刻方法被腐蝕掉，而后光致抗蝕劑的剩余部分用氧等離子體灰化去除(圖2F)。至此，硅掩膜完全形成。
位于基底10表面上的硅石層由活性離子蝕刻工藝通過硅掩膜被腐蝕(圖2G)。蝕刻工藝的選擇性因使用無氟等離子體(通過用富氫或富碳等離子體捕獲氟原子來實現(xiàn))而得以提高。為此目的的典型蝕刻氣體是諸如CHF3、C2F6或C3F8之類的氣體。一旦硅石層被腐蝕，例如可通過采用SF6的活性離子蝕刻法除去其余的硅掩膜(圖2H)。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在上述硅石圖案形成過程中按本發(fā)明的方法形成用于形成掩膜的硅層40時，硅石蝕刻工序的選擇性可提高約10％。這是有利于深度蝕刻的又一個因素。而且，蝕刻的質(zhì)量得以提高，這不僅僅是因為選擇性提高了，而且還是層的光滑度(平面度)提高的結(jié)果。此外，也已經(jīng)證明，在需要深度蝕刻的光學(xué)元件制造過程中，例如在對形成于一晶片上的一疊硅石層進行蝕刻的情況下，采用本發(fā)明用于產(chǎn)生硅掩膜的工藝可顯著減小晶片的變形。由于所得到平面度提高了，可使平板印刷術(shù)的分辨率也得以提高。
本發(fā)明尤其適用于產(chǎn)生相對較厚的硅掩膜的場合，以用于制造具有諸如微透鏡和光柵之類的光學(xué)裝置的硅石基光學(xué)元件。
雖然以上參照一個具體的較佳實施例對本發(fā)明進行了描述，但應(yīng)予理解的是，在不脫離如所附權(quán)利要求書所限定的發(fā)明范圍的情況下可以對其進行許多變化和改制。具體地說，雖然該較佳實施例中所采用的物理涂覆工藝是電子束蒸發(fā)，但也可以使用諸如濺射之類的其它物理涂覆工藝(結(jié)合對形成中的膜進行離子轟擊)。
同樣，雖然在本發(fā)明的較佳實施例中所采用的轟擊離子是氬離子，但也有其它的可能性。例如，可以采用其它的惰性氣體離子來代替氬，既可以是單獨地使用，也可以與另一種惰性氣體(優(yōu)選具有較大原子量的離子)混合使用，可以將其它物質(zhì)(諸如氫)的離子與惰性氣體離子混合，或者在某些情況下可以另一種物質(zhì)的離子來代替惰性氣體離子。
此外，雖然在上述實施例中使用本發(fā)明的方法來在一硅石基底表面的一硅石層上形成硅層，但該硅石層也可以非常合適地形成于其它材料的基底上，諸如硅。
權(quán)利要求
1.在表面上形成硅層的方法，包括通過物理涂覆工藝在所述表面上涂覆硅的工序，其特征在于，它還包括對形成中的硅膜進行離子轟擊操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，它還包括以下工序使硅層形成圖案以形成一用于限定下層表面圖案的掩膜；通過該硅掩膜對所述下層表面進行活性離子蝕刻；以及去除剩余的硅掩膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，蝕刻工序中所采用的蝕刻氣體包括一氟化烴。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的方法，其特征在于，所述表面是一硅石層或含添加劑的硅石層的表面，硅層形成≥1微米的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4的方法，其特征在于，該物理涂覆工藝是電子束輔助蒸發(fā)。
6.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求的方法，其特征在于，離子轟擊工序包括用氬離子轟擊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于，在硅涂覆工序中，離子和硅原子在所述表面的到達率之比大于1∶10。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于，在硅涂覆工序中，離子和硅原子在所述表面的到達率之比大于或等于2∶10。
9.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求的方法，其特征在于，離子轟擊工序中所使用的離子的能量在50-100eV范圍內(nèi)。
10.包括按權(quán)利要求1到9的任一項所述的方法涂覆于一表面上的一硅層的產(chǎn)品，其中該硅層中的應(yīng)力等于或小于每微米厚度200MPa。
全文摘要
一種在一基底(10)表面上形成一硅層的方法,它包括以下工序,采用一硅源(4)通過諸如電子束蒸發(fā)之類的物理涂覆工藝在表面上涂覆硅,并在所述涂覆工藝中使形成中的膜受來自一離子槍(20)的離子轟擊。所得到的硅膜的應(yīng)力比用普通物理涂覆工藝生產(chǎn)的硅膜顯著降低。該方法尤其適用于在硅層(或?qū)盈B)上形成相對較厚的硅層(≥1微米),以在接下來通過活性離子蝕刻對硅石進行的深度蝕刻中用作蝕劑掩膜。
文檔編號C23C14/14GK1268922SQ98805840
公開日2000年10月4日 申請日期1998年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月6日
發(fā)明者A·貝甘, P·勒于德 申請人:康寧股份有限公司