微纳制造中AlN/AlScN薄膜的ICP刻蚀

(002)取向的AlN和Al0.94Sc0.06N薄膜用于压电兰姆波谐振器。在氮化铝薄膜上获得了84°的侧壁剖面，刻蚀速率约为230nm/min。相对于光刻胶掩模的选择比为0.77:1，使用镍薄膜作为刻蚀掩模时，实现了近80°的侧壁剖面和超过30:1的选择比。通过优化射频功率，Al0.94Sc0.06N薄膜实现了77°的侧壁剖面。

1μm AlN和500nm Al0.94Sc0.06N采用EVATEC CLN200 300℃反应溅射和共溅射系统沉积。4英寸的Al靶和Sc靶，溅射功率分别为1000W和150W。AlN和Al0.94Sc0.06N半高宽分别为1.2°和1.9°，Ra分别为0.97nm和2.15nm。旋涂S1818光阻@3000rpm/45s。ICP刻蚀使用SENTECH SI-500 ICP刻蚀机。
AlN ICP刻蚀模型

(1) 非解离吸附

Cl2/BCl3非解离吸附在AlN表面。

(2) 解离吸附通过Cl2/BCl3的解离吸附，分别产生Cl和BCl2、BCl、Cl和B。

(3) 产物分子产生BCl3、BCl2、BCl、Cl是刻蚀剂，将与AlN反应，形成AlCl3, N2和B 。由于Cl的强氧化性，AlCl3将会形成于AlN表面，而N³⁻将会被Cl氧化成N2。由于N³⁻的还原性，一定比例的B³⁺将被还原成B²⁺, B⁺和B。

(4) 产物分子解吸附两个AlCl3分子形成更稳定的Al2Cl6二聚体。

(5) 残留去除
残留表面的B被解吸附，形成BCl3。

在高频电磁场中，高能量的Cl2/BCl3加速向AlN表面移动。ICP功率从500W增大到550W时，AlN刻蚀速率从193nm/min增大到230nm/min。功率增大到600W时刻蚀速率下降可能是由于等离子体密度达到饱和，高等离子体密度导致聚合物(如AlCl3)在AlN表面的重新沉积。刻蚀轮廓也有类似的趋势。增大射频功率，使氯气(Cl₂)与三氯化硼(BCl₃)混合气体具有较高能量，会增加Al-N键断裂的可能性，同时增强Cl₂/BCl₃混合气体对氮化铝(AlN)刻蚀表面的轰击作用，从而导致刻蚀速率提升。另一方面，由于放热反应和物理轰击作用，较高的射频功率会提升蚀刻表面的温度，这可能会促进AlCl3分子生成更易从表面解吸的二聚体Al₂Cl₆。

高射频功率下，物理攻击作用很强，由于氮化铝的化学蚀刻变化不大，然而光刻胶的蚀刻速率变大，导致选择性显著下降。根据第(3)步反应，大量分子产物无法及时脱附，导致蚀刻轮廓质量显著下降。

腔室压力决定了反应物的平均自由程。随着压力升高，等离子体Cl2/BCl3/N2的平均自由程减小，但等离子体碰撞的可能性增加，这意味着运动的方向性降低，化学反应物更难到达AlN表面。另一方面，由于等离子体动能的降低，即使等离子体到达AlN表面，化学反应也会变得更加困难。所以增加反应气压时，AlN的刻蚀速率下降。较高压力还会导致聚合物重新沉积和形成，因为这种相对低能量的BCl₃/N₂混合气体无法有效将产物AlCl₃和B解吸至气相，使得ICP刻蚀呈现各向同性特征。

在此类化学反应中生成的产物AlCl₃会重新沉积在AlN表面，且随着Cl₂比例升高，将AlCl₃解吸至气相的效率会降低，这将限制后续反应的进行，同时会导致轮廓变差。

与Cl2相比，BCl3与AlN的反应速率较低。然而，BCl₃能够通过强烈的物理轰击快速蚀刻氧化层，AlCl₃同样如此。这意味着一定量的BCl₃可以提高总蚀刻速率，因为Cl₂气体几乎无法蚀刻Al₂O₃。

氮气作为物理轰击气体。增加氮气流量会增强物理刻蚀过程。一方面，更多氮气能促进三氯化硼更好地解离生成二氯化硼、一氯化硼和氯，这意味着可以提高刻蚀剂的密度。另一方面，氮气的强烈物理轰击能促进产物解吸进入气相，并减少再沉积效应和聚合物的形成。由于氮气的物理轰击效率低于氩气，使用氮气进行蚀刻的选择性优于氩气，但不可否认的是氮气会略微降低蚀刻速率。但是在高氮气比例条件下难以控制较高蚀刻速率时的方向性。优化的AlN刻蚀工艺为550 W ICP功率, 80 W 射频功率, Cl2/BCl3/N2 流量为36/6/5 sccm。

刻蚀参数的影响

光阻作为掩膜的AlN刻蚀轮廓

电子束蒸镀150nm Ni作为掩膜，刻蚀轮廓接近80°，选择比大于30，因此Ni可以同时作为刻蚀掩膜和上电极。
AlScN的刻蚀模型(1) 非解离吸附

(2) 解离吸附

(3) 产物分子形成

(4) 产物分子解吸附

(5) 残留去除

Cl2/BCl3先非解离吸附，再解离，然后与AlScN发生反应，产物是ScCl3和AlCl3。ScCl₃(升华温度900℃)是一种离子化合物，其挥发性低于AlCl₃(升华温度100℃)。ScCl3将残留在表面，并由物理轰击去除。射频功率能控制等离子体轰击样品的能量，增大刻蚀速率。射频功率能够明显增强重等离子体的动能，如BCl3和N2，选择比将下降，侧墙倾角也会变小。优化的AlScN刻蚀工艺: 550 W ICP 功率, 80 W 射频功率，Cl2/BCl3/N2 流量为15/30/5 sccm。