在表面上形成硅层的方法
专利汇可以提供在表面上形成硅层的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种在一基底(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。，下面是在表面上形成硅层的方法专利的具体信息内容。
1.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。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，它还包括以下工序：使硅层形成图 案以形成一用于限定下层表面图案的掩膜；通过该硅掩膜对所述下层表面进行活 性离子蚀刻；以及去除剩余的硅掩膜。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，蚀刻工序中所采用的蚀刻气体包括 一氟化烃。
4.根据权利要求1、2或3的方法，其特征在于，所述表面是一硅石层或含 添加剂的硅石层的表面，硅层形成≥1微米的厚度。
5.根据权利要求1、2、3或4的方法，其特征在于，该物理涂覆工艺是电子 束辅助蒸发。
6.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于，离子轰击工序包括用氩离 子轰击。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，在硅涂覆工序中，离子和硅原子在 所述表面的到达率之比大于1∶10。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，在硅涂覆工序中，离子和硅原子在 所述表面的到达率之比大于或等于2∶10。
9.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于，离子轰击工序中所使用的 离子的能量在50-100eV范围内。
10.包括按权利要求1到9的任一项所述的方法涂覆于一表面上的一硅层的 产品，其中该硅层中的应力等于或小于每微米厚度200MPa。
本发明涉及光学元件制造领域。更具体地说，本发明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。
本发明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，本发明提供了一种在表面上形成硅层的方法，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。
在本发明的较佳实施例中，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。
使用本发明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。
本发明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：
图1是适合于实施本发明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 本发明的方法来制造，图2A到2H表示该制造工艺的不同工序。
下面将参照图1来描述本发明的一较佳实施例。在本发明的该实施例中， 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，本发明的方法在一真空腔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。 按照本发明的工艺，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。
下面将描述本发明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。
按本发明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模型产生12mA的最大电流。通常，流到离子枪 的氩的流率为1.5到3.0sccm，离子能量为50eV到100eV的范围内，离子枪出 口处的离子电流密度为每1到2mA/cm2，总离子电流为10到12mA。在这种状态 下，可以保持较高的硅涂覆速度，通常约为10到20埃米/秒。但是，可承受 更高电流的离子枪应该能实现更高的硅涂覆速度和/或在表面积更大的晶片上 保持相同的涂覆速度。
试验中所采用的离子枪的模型非常有效，它可使气体流量非常微弱，从而 在真空腔中保持较低的工作压力(通常在1到2×10-4乇左右)。
轰击成形中的硅膜所用的离子的能量在50eV到100eV范围内。太高的离 子能量无法获得本发明的优点，而相反会导致本来就很容易发生的、硅原子从 层上射出。
如上述这样实施本发明的方法，用以在形成于一1毫米厚、4英寸直径的 硅石晶片上的一硅石层上形成一1微米厚的硅膜。在该硅涂覆过程中，每10 个硅原子伴随有2个氩离子抵达基底。硅膜中测得的应力为100Mpa。这表明应 力相对于在用普通电子束蒸发所形成的同等硅膜中所测得的400Mpa的应力有 显著降低。由于这种应力的降低，本发明的方法可以在硅石层上形成厚度比以 前所可能获得的值更大的硅膜。例如，如今在一硅石层上形成一2微米厚的硅 层已变得可行，而不会产生裂缝。这可以在硅石上形成较厚的硅掩膜(≥1微 米)，以便接下来用活性离子蚀刻的方法使硅石形成图案。
下面参照图2来描述一种用活性离子蚀刻形成硅石层图案的典型工艺，该 工艺包括一个用本发明的方法形成硅掩膜层的工序。
图2A表示用传统技术生产的一涂覆有一硅石层的硅石晶片10。与通常的 一样制备需要涂覆蚀刻掩膜的表面。而后，如图2B所示，按参照图1所述的 那样在硅石层上涂覆一硅层40。在需要对硅石进行深度蚀刻的情况下，该硅层 40可以为1微米厚。分别如图2C和2D所示，接下来将一光致抗蚀剂50涂覆 于硅层40上，然后使该光致抗蚀剂曝光并显影，以暴露出下面硅层的选定区 域。硅层的暴露部分例如可使用SF6(图2E)通过活性离子蚀刻方法被腐蚀掉， 而后光致抗蚀剂的剩余部分用氧等离子体灰化去除(图2F)。至此，硅掩膜完全 形成。
位于基底10表面上的硅石层由活性离子蚀刻工艺通过硅掩膜被腐蚀(图 2G)。蚀刻工艺的选择性因使用无氟等离子体(通过用富氢或富碳等离子体捕获 氟原子来实现)而得以提高。为此目的的典型蚀刻气体是诸如CHF3、C2F6或C3F8之类的气体。一旦硅石层被腐蚀，例如可通过采用SF6的活性离子蚀刻法除去 其余的硅掩膜(图2H)。
已经发现，当在上述硅石图案形成过程中按本发明的方法形成用于形成掩 膜的硅层40时，硅石蚀刻工序的选择性可提高约10％。这是有利于深度蚀刻 的又一个因素。而且，蚀刻的质量得以提高，这不仅仅是因为选择性提高了， 而且还是层的光滑度(平面度)提高的结果。此外，也已经证明，在需要深度蚀 刻的光学元件制造过程中，例如在对形成于一晶片上的一叠硅石层进行蚀刻的 情况下，采用本发明用于产生硅掩膜的工艺可显著减小晶片的变形。由于所得 到平面度提高了，可使平板印刷术的分辨率也得以提高。
本发明尤其适用于产生相对较厚的硅掩膜的场合，以用于制造具有诸如微 透镜和光栅之类的光学装置的硅石基光学元件。
虽然以上参照一个具体的较佳实施例对本发明进行了描述，但应予理解的 是，在不脱离如所附权利要求书所限定的发明范围的情况下可以对其进行许多 变化和改制。具体地说，虽然该较佳实施例中所采用的物理涂覆工艺是电子束 蒸发，但也可以使用诸如溅射之类的其它物理涂覆工艺(结合对形成中的膜进 行离子轰击)。
同样，虽然在本发明的较佳实施例中所采用的轰击离子是氩离子，但也有 其它的可能性。例如，可以采用其它的惰性气体离子来代替氩，既可以是单独 地使用，也可以与另一种惰性气体(优选具有较大原子量的离子)混合使用，可 以将其它物质(诸如氢)的离子与惰性气体离子混合，或者在某些情况下可以另 一种物质的离子来代替惰性气体离子。
此外，虽然在上述实施例中使用本发明的方法来在一硅石基底表面的一硅 石层上形成硅层，但该硅石层也可以非常合适地形成于其它材料的基底上，诸 如硅。
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