在表面上形成硅层的方法技术

一种在一基底（１０）表面上形成一硅层的方法，它包括以下工序，采用一硅源（４）通过诸如电子束蒸发之类的物理涂覆工艺在表面上涂覆硅，并在所述涂覆工艺中使形成中的膜受来自一离子枪（２０）的离子轰击。所得到的硅膜的应力比用普通物理涂覆工艺生产的硅膜显著降低。该方法尤其适用于在硅层（或层叠）上形成相对较厚的硅层（≥１微米），以在接下来通过活性离子蚀刻对硅石进行的深度蚀刻中用作蚀剂掩膜。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学元件制造领域。更具体地说，本专利技术涉及一种在表面上形成相对较厚的硅层的方法，尤其是在一或多个待进行活性离子蚀刻的硅石层上提供硅掩膜的方法。在平面集成光学器件领域，在平面光学元件的制造过程中，经常需要对硅石(纯硅石或含添加剂的硅石)层进行蚀刻以限定出诸光学元件。为实现元件中诸如波导、光栅、透镜等之类的光学装置的跟踪，要求有非常精确的图案。而且，经常需要对彼此层叠而连续的多个硅石层(通常是一个芯层和一或多个覆盖层)进行涂覆和形成图案。在这种硅基光学元件的制造过程中，为了获得所形成的装置所需的精确度(分辨率)，硅石层的图案形成最好采用活性离子蚀刻来实现。蚀刻的质量会受到形成蚀刻掩膜所用的材料的很大影响。目前已经将不同种类的掩膜材料用于该蚀刻工艺诸如铝、钛、铬、镍、光致抗蚀剂或硅。金属掩膜通常不会得到另人满意的效果，原因有二。第一，在掩膜层的涂覆过程中，金属颗粒会增大，这在接下来的蚀刻工序中会使蚀刻腔侧壁粗糙(通常从所需的侧壁平面偏离＞0.1微米)。这种粗糙度在光学装置使用时会造成光学损失。此问题在采用铝掩膜的情况下尤为显著。第二，在硅石的活性离子蚀刻过程中，金属掩膜材料会发生溅射。由于金属原子是非挥发性的，它们重复地涂覆于蚀刻区域而再次产生粗糙度问题。光致抗蚀剂(通常是聚合物掩膜)在要求进行硅石深度蚀刻的场合下有主要有三个缺点。第一，硅石与聚合物掩膜之间的蚀刻选择性比率较低(约为2∶1)，因而在需要对硅石进行深度蚀刻时必须提供较厚的掩膜层。使用约厚于7微米的聚合物层会导致蚀刻分辨率的降低。第二，在蚀刻工序中，聚合物材料会流动，因而造成蚀刻出的图案变形。第三，在使用聚合物掩膜的情况下，蚀刻工序中可以使用的功率密度是有限的，因而延长了完成蚀刻所需的时间。为了解决上述问题，需要提供一种掩膜材料，它可将具有良好耐蚀刻条件能力但在等离子体中仍具有挥发性的这两个相矛盾的特性结合在一起。硅可符合这些要求。硅已经被用于一种掩膜材料，以在电子元件的制造过程中实现硅石的活性离子蚀刻。可以实现约10∶1的选择性。现在，当试图使用硅作为硅石蚀刻的掩膜材料以用于制造光学元件时，经常需要进行硅石层(或层叠)的深度蚀刻，因而需要有大于1微米的硅掩膜。然而，当试图用传统的真空蒸发物理蒸气涂覆技术在硅石上形成这种厚度的硅层时，所得到的硅层有较高的应力。当使用电子束蒸发法来涂覆硅层时，会有400MPa的拉应力。当用溅射法来涂覆硅层时，可测得约400MPa的压应力，并产生较大的颗粒尺寸(使蚀刻出的侧壁变得粗糙)。这些较高的应力可引起晶片变形，导致平板印刷工序中精度下降。在2微米厚硅层的情况下，这种应力太大以致于在光学层中产生裂缝，从而导致元件毁坏。本专利技术的较佳实施例提供了一种形成硅层的方法，尤其是形成大于1微米厚硅层的方法，它可使所形成的层中的应力被控制在可接受的等级。更具体地说，本专利技术提供了一种，它包括用物理涂覆工艺在所述表面上涂覆硅以及在所述涂覆工艺过程中使形成中的膜受离子轰击。已经发现，当用物理涂覆工艺在一表面上形成硅层、并使形成的层受离子束轰击时，即使在于硅石层(或若干层)上形成相对较厚的硅层的情况下，也可以显著降低所得到硅层中的应力。在本专利技术的较佳实施例中，基本的物理涂覆工艺是电子束蒸发。该技术允许对涂覆工艺进行闭环控制，结合对形成膜进行离子轰击，可实现对硅层特性的精确调整。使用本专利技术的方法在硅石层上形成硅掩膜，可使活性离子蚀刻能被用于硅石的深度蚀刻，从而获得较高的蚀刻分辨率，同时避免了侧壁粗糙的问题。另外，在使用该技术来形成彼此层叠的多层形成有图案的硅石层的过程中，已经证明了可降低晶片的变形。而且，在活性离子蚀刻过程中可以使用正常的功率密度，因而不会不合适地延长蚀刻过程。本专利技术的其它特点和优点将通过下面以实例方式对其一较佳实施例所进行的描述而变得清楚，该实施例示于附图中，其中附图说明图1是适合于实施本专利技术的方法的一装置的示意图；图2示出了一已形成图案的硅石层的制造工艺，在该工艺中，硅掩膜通过本专利技术的方法来制造，图2A到2H表示该制造工艺的不同工序。下面将参照图1来描述本专利技术的一较佳实施例。在本专利技术的该实施例中，采用电子束蒸发工艺来从一硅源释放硅原子，用于涂覆于一硅石层(或层叠)上，后者形成于一通常由硅石制成的基底上。同时，氩离子朝基底发射氩离子，以轰击处于成形过程中的硅膜。如图1所示，本专利技术的方法在一真空腔1内进行，其真空由一个泵(未图示)通过一孔2来维持。硅4设置在一坩埚5中，该坩埚用作一电子枪6的正极。电子枪所产生的电流由一电子枪控制装置7控制。来自电子枪的电子朝着硅被加速并使硅加热，从而造成硅原子的蒸发。蒸发的硅原子朝真空腔的顶部(应优选朝上的蒸发，以避免表面受灰尘污染)冷凝于真空腔壁上和一位于基底10表面上的一硅石层上，该基底(例如由硅石制成)设置在一基底保持架1上。按照本专利技术的工艺，虽然并不一定要使基底加热，但也可设置一加热器12，以使基底的温度维持在例如100℃，从而促进涂覆的硅原子粘接于硅石层。真空腔中设置一活动开闭器15，用以根据需要中断硅原子在硅石层上的涂覆。迄今为止，该装置的结构仍与用于硅的电子束蒸发的传统装置相同。然而，除了上述部件，图1的装置还包括一设置用来朝基底10发射离子束的离子枪20。在该实例中，该离子枪是“Plasmion”牌的，但也可以采用其它的离子枪来代替。离子枪通过一入口22被提供以氩气，并产生氩离子(Ar+)，这些氩离子以相对于到达的硅原子的轰击方向成约30°角的方向轰击于基底上。离子束电流和能量由一离子枪控制装置23控制。下面将描述本专利技术的较佳实施例的方法。硅源4置于设置在真空腔1中的坩埚5内，在基底保持架1中设置有一或多个基底10。然后，真空腔通过孔2被抽空。接着启动离子枪20，当它达到一稳定工作状态(通常在几分钟后)，电子枪6启动以使硅开始蒸发。当蒸发达到一稳定状态时，移开开闭器15，从而在硅源与基底10之间留一条自由通路。以这种方式，撞击并粘附于硅石层上的硅原子位于基底10的表面上，形成中的硅膜受到氩离子的轰击。例如可以通过设置一连接于基底保持架11的压电装置来监控膜成形工艺的进程。压电装置的振动频率随所涂覆的硅量的增大而变化。当已涂覆了所需量的硅后，开闭器15移回到阻碍硅原子到达基底的位置，并关闭离子枪22。按本专利技术的工艺生产的硅层中所测得的应力取决于硅涂覆过程中抵达位于基底上的外层的硅原子与氩离子的数量之比。在每10个硅原子不到1个离子抵达基底(或更准确地说是位于基底上的外层)的情况下，应力相对于传统工艺所得到的结果下降得较小(低于20％)。而对于抵达基底的每10个硅原子有1个以上离子的比率，这种降低就变得显著起来。较好的是，使工作状态固定在能确保高于每10个原子有1个离子的比率，更好的是，确保抵达基底的每10个硅原子有2个离子的数量级。在这些状态下，硅层中测得的应力对于1微米厚的层来说可低于200MPa，对于2微米厚的层来说可低于400Mpa，等等。抵达基底上的外表面的离子和原子的数量分别取决于离子枪20和电子枪6的电流，因而很容易控制。而且，抵达基底上的外表面的离子和原子的最佳数量比随离子轰击中所采用的离子的特性而变化。试验中所采用的离子枪的本文档来自技高网...

【技术保护点】
在表面上形成硅层的方法，包括通过物理涂覆工艺在所述表面上涂覆硅的工序，其特征在于，它还包括对形成中的硅膜进行离子轰击操作。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：A贝甘，P勒于德，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]