深硅刻蝕工藝原理

1、硅蝕刻工藝在MEMS中的應(yīng)用文章來(lái)源：本站原創(chuàng)點(diǎn)擊數(shù)：97錄入時(shí)間：2006-4-7富收港此頁(yè)-減小字體斗增大字體Dave?Thomas?/?Trikon?Technologies, Newport , Wales, United?Kingdom本文介紹了在現(xiàn)代微機(jī)電系統(tǒng)( MEMS; Micro?Electro-Mechanical?System )制造過(guò)程中必不可少的硅 蝕刻流程，討論了蝕刻設(shè)備對(duì)于滿(mǎn)足四種基本蝕刻流程的要求并做了比較，包括塊體(bulk)、精度(precision)、絕緣體上硅芯片(SOI; Silicon?On?Insulator)及高深寬比的蝕刻(high?aspec

2、t?ratio?etching)等。 并希望這些基本模塊能衍生出可提供具備更高蝕刻率、更好的均勻度、更平滑的蝕刻側(cè)壁及更高的高深寬 比的蝕刻能力等蝕刻設(shè)備，以滿(mǎn)足微機(jī)電系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展需求。微機(jī)電系統(tǒng)是在芯片上集成運(yùn)動(dòng)件，如懸臂( cantilever)、薄膜(membrane)、傳感器(sensor)、反射 鏡(mirror)、齒輪(gear)、馬達(dá)(motor)、共振器(resonator)、閥門(mén)(valve)和泵(pump)等。這 些組件都是用微加工技術(shù)(micromachining )制造的。由于硅材料的機(jī)械性及電性眾所周知，以及它在主流 IC制造上的廣泛應(yīng)用，使其成為微加工技術(shù)的首要選

3、擇材料。在制造各式各樣的坑、洞、齒狀等幾何形狀 的方法中，濕式蝕刻具有快速及低成本的優(yōu)勢(shì)。然而，它所具有對(duì)硅材料各方向均以相同蝕刻速率進(jìn)行的 等向性(isotropic)蝕刻特性、或者是與硅材料的晶體結(jié)構(gòu)存在的差異性、產(chǎn)生不同蝕刻速率的非等向性(anisotropic)等蝕刻特性，會(huì)限制我們?cè)诠に囍袑?duì)應(yīng)用制造的特定要求，例如噴墨打印機(jī)的細(xì)微噴嘴制造(非等向性蝕刻特性總會(huì)造成 V形溝槽，或具錐狀(tapered?walls )的坑洞，使關(guān)鍵尺寸不易控制？)。而干式蝕刻正可克服這個(gè)應(yīng)用限制，按照標(biāo)準(zhǔn)光刻線法( photolithographic )的光罩所定義的幾何圖案，此類(lèi)干式 蝕刻工藝可獲取具

4、有垂直側(cè)壁的幾何圖案。舉例來(lái)說(shuō)，通常要蝕刻定義出較大尺寸的組件，如電容式加速 微傳感器(capacitive?accelerometers )。通常我們會(huì)優(yōu)先考慮濕式蝕刻方式，但對(duì)于需要更精確尺寸控制、 或是整體尺寸需微縮的組件的制造，則會(huì)考慮選擇采用干式蝕刻來(lái)達(dá)到工藝要求。硅蝕刻廣泛應(yīng)用的硅蝕刻方法，是起源于德國(guó)Robert?Bosch公司開(kāi)發(fā)的非等向性硅蝕刻工藝方法，被稱(chēng)為 Bosch氣體交替技術(shù)(Bosch?gas-switching?technique) 1。利用具有非等向性蝕刻反應(yīng)的等離子源，與通過(guò)反應(yīng) 形成高分子蔽覆層(polymeric?passivation?layer)的另一

5、種等離子源，兩者反復(fù)交替進(jìn)行的方法，以達(dá)到硅 蝕刻的工藝要求。常用的在硅蝕刻生產(chǎn)過(guò)程中的氣體選擇，多是采用 SF6(六氟化硫)，因其可在能量只 有20eV的條件下即可分解出 6個(gè)氟原子，而這些氟原子會(huì)繼續(xù)與Si反應(yīng)形成揮發(fā)性SiF4(四氟化硅)。理論上，已定義幾何圖案的 6寸硅晶圓占據(jù)了大約15%的裸片面積，設(shè)定等離子反應(yīng)室內(nèi)壓力 >30mtorr、SF6流量>400sccm、及千瓦等級(jí)的射頻（RF）能量等操作條件下，蝕刻率可達(dá) 20微米/分。為達(dá)成高速率的高分子沉積反應(yīng)， 在等離子反應(yīng)產(chǎn)生的氣體內(nèi) F 元素與 C 元素的比例需小于或等于2:1（即F:C<2）1。因此CHF3

6、（三氟甲烷）與 C3F8（全氟丙烷）不適用，而以 C4F8 （八氟環(huán)丁烷）較適當(dāng)（C4F8也是常用在等離子蝕刻氧化反應(yīng)的添加氣體）。由于此高分子沉積反應(yīng)，提供一種可調(diào)整側(cè)壁蔽覆層（sidewall?passivation?layer ）的生成，同時(shí)可提高對(duì)罩幕材料（如光阻或二氧化硅等）的選擇比的方法。當(dāng)C4F8及SF6氣體混合時(shí)，氣體交替分層是必不可少的，在室溫條件下，容易產(chǎn)生一種圓齒狀但又非等向性蝕刻的側(cè)壁輪廓效果。在整個(gè)反應(yīng)結(jié)束后，只要加入 O2 等離子，即可輕易去除沉積的高分子蔽覆膜。對(duì)于電容式射頻耦合技術(shù)，此應(yīng)用于在高壓氣體操作的傳統(tǒng)反應(yīng)式離子蝕刻（RIE； reactive?ion?

7、etching ），在沒(méi)有非常高的偏壓下，是無(wú)法提供足夠的射頻功率以分解氣體分子。相反，在高壓氣體條件下，當(dāng)氣體擴(kuò)散較慢導(dǎo)致在局部范圍內(nèi)發(fā)生能量耦合（ power?coupling ）現(xiàn)象，感應(yīng)耦合等離子（ICP； inductively?coupled?plasma）則會(huì)呈現(xiàn)不均勻的狀況，這意味著大部分的氣體還沒(méi)被離解。因此在硅蝕刻生產(chǎn)應(yīng)用上的解決方法是，采用一股逆流而上的氣體、流量入口較小且搭配高射頻功率的結(jié)構(gòu)，另在下游晶圓反應(yīng)槽區(qū)改用低射頻偏壓功率的設(shè)計(jì)。永久磁鐵可用來(lái)降低從反應(yīng)槽壁流失的電子損失，如此可強(qiáng)化氣體入口端的氣體分解及電磁反應(yīng)，以得到較佳的射頻耦合效果，形成應(yīng)有的等離子量以補(bǔ)

8、償不均勻的蝕刻率。Trikon 's?DS3藝模塊，即是依據(jù)此原理設(shè)計(jì)的。蝕刻工藝圖 1 所示為應(yīng)用在 6 寸空白晶圓（未定義任何圖案）的各種干蝕刻工藝參數(shù)對(duì)硅蝕刻率的比較圖表。經(jīng)過(guò)多片 6 寸晶圓在相同的測(cè)試條件下， 結(jié)果表明蝕刻率是一致的，誤差在1%之內(nèi)。這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明了能源功率（source?power）與SF6流量對(duì)蝕刻率的影響；如在 2.5kW及SF6流量為900sccm的條件下，蝕刻率約為 5 微米 / 分。 另外也表明了反應(yīng)槽氣體壓力與偏壓功率對(duì)蝕刻率的影響不大 （至少在無(wú)高分子沉積步驟是如此） 。 以上觀察正好符合氟原子與硅晶圓表面的進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)這個(gè)說(shuō)法。 而在相同的

9、實(shí)驗(yàn)測(cè)量條件下，通過(guò)對(duì)空白晶圓（未定義任何幾何圖案）上高分子沉積情形的觀察，發(fā)現(xiàn)在高壓氣體和高流量C4F8的條件下，比較容易發(fā)生高分子沉積。為滿(mǎn)足微機(jī)電系統(tǒng)組件應(yīng)用更廣泛，現(xiàn)在已有多種不同的工藝正在發(fā)展，按不同的需求，參照常用的蝕刻流程種類(lèi)，予以簡(jiǎn)化分類(lèi)，可得到表1 中所歸納出的四種蝕刻工藝，具體說(shuō)明如下。圖 1 6 寸空白晶圓上的硅蝕刻率矩陣圖表 1?四種蝕刻工藝的不同需求塊體蝕刻一些微機(jī)電組件制造過(guò)程中需要蝕刻挖除較大量的 Si 基材，如壓力傳感器即為一例，即通過(guò)蝕刻晶背形成深的孔洞，但未蝕穿正面，在正面形成一層薄膜。還有其他組件需蝕穿晶圓，不是完全蝕透晶背而是直到停在晶背的鍍層上。基于B

10、osch 工藝的一項(xiàng)特點(diǎn)，當(dāng)要維持一個(gè)近乎于垂直且平滑的側(cè)壁輪廓時(shí)，是很難獲得高蝕刻率的。因此通常為達(dá)到很高的蝕刻率，一般避免不了伴隨產(chǎn)生具有輕微傾斜角度的側(cè)壁輪廓。不過(guò)當(dāng)采用這類(lèi)塊體蝕刻時(shí)，工藝中很少需要垂直的側(cè)壁。精確蝕刻精確蝕刻工藝是專(zhuān)門(mén)為體積較小、垂直度和側(cè)壁輪廓平滑性上升為關(guān)鍵因素的組件而設(shè)計(jì)的。就微機(jī)電組件而言，需要該方法的組件包括微光機(jī)電系統(tǒng)( MOEMS： Micro-Opto-Electro-Mechanical-Systems ，應(yīng)用于高反射率鏡片)及浮雕印模(embossing?die )等。一般說(shuō)來(lái)，此類(lèi)特性要求，蝕刻率的均勻度控制是遠(yuǎn)比蝕刻率重要得多。由于蝕刻劑在蝕刻

11、反應(yīng)區(qū)附近消耗率高，引發(fā)蝕刻劑密度相對(duì)降低，而在晶圓邊緣蝕刻率會(huì)相應(yīng)地增加，整片晶圓上的均勻度問(wèn)題應(yīng)運(yùn)而生。上述問(wèn)題可憑借對(duì)等離子或離子轟擊( ion?bombardment)的分布圖予以校正，從而達(dá)到均勻蝕刻的目的。例如 Trikon' s?D5s遨場(chǎng)通過(guò)改善反應(yīng)槽的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，把磁場(chǎng)量強(qiáng)度予以分布控制，使離子轟擊集中到晶圓中心。在 8 寸晶圓上的應(yīng)用表現(xiàn)，通常約有±1.0-2.5%的蝕刻率不均勻度。側(cè)壁粗糙度是來(lái)源于扇型側(cè)壁的長(zhǎng)度與深度的變化，此現(xiàn)象是因蝕刻反應(yīng)與高分子蔽覆層的沉積反應(yīng)的相對(duì)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短所造成的。例子表明蝕刻率與扇型側(cè)壁深度(通常量取從罩幕算起第 3 個(gè)

12、凹處的深度)具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，數(shù)據(jù)資料是以1.7微米及200微米線寬為試驗(yàn)對(duì)象。常用于描述 Bosch工藝的特征值，即深寬比(ARDE； Aspect?ratio-dependent?etching )值，可說(shuō)明蝕刻率與線寬尺寸間的變化相關(guān)性。一條100 微米線寬在蝕刻率5.5 微米 / 分的條件下，可得到小于 30 微米的扇型側(cè)壁深度。絕緣層上的硅晶蝕刻最先進(jìn)的微機(jī)電組件包含精細(xì)的可移動(dòng)性零組件， 例如應(yīng)用于加速計(jì)、 陀螺儀、 偏斜透鏡( tilting?mirrors ) 、共振器( resonators )、閥門(mén)、泵、及渦輪葉片等組件的懸臂。這些許多的零組件，最初是以深硅蝕刻方法在晶圓的

13、正面制造， 接著藉由橫方向的等向性底部蝕刻 ( lateral?isotropic?undercutting?etch ) 的方法從基材脫離，此方法正是典型的表面細(xì)微加工技術(shù)。而此技術(shù)有一項(xiàng)特點(diǎn)是以掩埋的一層材料作為針對(duì)非等向性蝕刻的蝕刻終止層，達(dá)成以等向性蝕刻實(shí)現(xiàn)組件與基材間脫離的結(jié)構(gòu)(如懸臂)。由于二氧化硅在硅蝕刻工藝中，具有高蝕刻選擇比且在各種尺寸的絕緣層上硅晶材料可輕易生成的特性，通常被采用作為掩埋的蝕刻終止層材料。在深硅蝕刻進(jìn)行的初期，并非總是直接地達(dá)到掩埋的蝕刻終止層，因?yàn)樵谖g刻終點(diǎn)(endpoint )時(shí)氧化層充電時(shí)產(chǎn)生正離子一一?在不同線寬幾何圖案下進(jìn)行蝕刻時(shí)，此現(xiàn)象更為嚴(yán)重，

14、因?yàn)橐罁?jù) ARDE (深寬比影響蝕刻)特征值的定義，當(dāng)較窄的線寬蝕刻形成時(shí)，較寬線寬的蝕刻必定會(huì)造成過(guò)度蝕刻( over-etch )。同時(shí)，荷電作用引起側(cè)壁蝕刻橫過(guò)接口；此機(jī)械裝置會(huì)造成凹槽( notching )，然而后續(xù)發(fā)生的側(cè)壁沉積更是問(wèn)題所在。對(duì)此的解決方法，即是在整個(gè)蝕刻過(guò)程或當(dāng)達(dá)到蝕刻終止氧化層時(shí)，外加射頻偏壓脈沖。利用設(shè)定適當(dāng)?shù)臅r(shí)間參數(shù)，使電子在電源關(guān)閉期間自絕緣表面排除。在絕緣層上硅晶實(shí)施蝕刻工藝，可形成1.9 微米線寬的垂直側(cè)壁，蝕刻率是3.7微米 /分，以及凹槽深度是小于100nm ，而整片晶圓上的蝕刻率均勻度約是± 1.5%。依據(jù)ARDE的特征值定義，根據(jù)在線

15、寬>20Rm時(shí)的操作經(jīng)驗(yàn)，基本上有90%會(huì)發(fā)生過(guò)度蝕刻現(xiàn)象；盡管如此， 對(duì)于線寬在 0.820 微米的范圍內(nèi)、 凹槽深度大致維持在100nm 這種情況， 是不受不同線寬的影響。 由此可知在絕緣層硅晶的蝕刻應(yīng)用上，偏壓脈沖可提供較高自由度的操作工藝。高深寬比硅蝕刻工藝通常需要處理高深寬比的問(wèn)題， 如應(yīng)用在回轉(zhuǎn)儀( gyroscopes) 及硬盤(pán)機(jī)的讀取頭等微機(jī)電組件即為此例。另外，此高深寬比的特性也是發(fā)展下一代晶圓級(jí)的高密度構(gòu)造連接上的解決方案?？紤]到有關(guān)高深寬比的主要問(wèn)題，是等離子進(jìn)出蝕刻反應(yīng)區(qū)的狀況：包括蝕刻劑進(jìn)入蝕刻接口的困難程度(可借助離子擊穿高分子蔽覆層實(shí)現(xiàn))，以及反應(yīng)副產(chǎn)品受制

16、于孔洞中無(wú)法脫離。在一般的等離子壓力條件下，離子的準(zhǔn)直性( Ion?collimation )運(yùn)動(dòng)本身就會(huì)將高深寬比限制在約 50:1 。另外，隨著具線寬深度特征離子的大量轉(zhuǎn)移，這些細(xì)微變化可能會(huì)改變蝕刻過(guò)程中的輪廓。一般說(shuō)來(lái)，隨著蝕刻深度加深，蝕刻劑成分會(huì)減少，導(dǎo)致過(guò)多的高分子聚合反應(yīng)，和蝕刻出漸窄的線寬。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)備制造商已發(fā)展出隨著蝕刻深度加深，在工藝條件下逐漸加強(qiáng)的硬件及工藝，這樣即可補(bǔ)償蝕刻劑在大量離子遷徙的變化所造成的影響。這里有一個(gè)針對(duì) 8 寸晶圓級(jí)所設(shè)計(jì)的專(zhuān)門(mén)的工藝?yán)印?它的主要特征是蝕刻率 3.5 微米 / 分、 線寬 2.5 微米、深寬比約 21:1 、蝕刻率的均勻

17、度為± 1.5%。其中大于89° 的側(cè)壁輪廓及約30nm 的扇型側(cè)壁深度可容許后續(xù)的電介質(zhì)材料布植。圖2 說(shuō)明具線寬1.7 勺6:1的高深寬比)及線寬 200”(約1:1的高深寬比)特征，所顯現(xiàn)出蝕刻率與扇型側(cè)壁深度的根本相關(guān)性。結(jié)論許多的應(yīng)用在汽車(chē)及信息科技/ 娛樂(lè)部分的微機(jī)電制造商，在未來(lái)幾年，將會(huì)推動(dòng)極具生產(chǎn)價(jià)值的硅蝕刻工藝的開(kāi)發(fā)需求。硅蝕刻工藝是制造微機(jī)電組件過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵的模塊。上述四種工藝模塊，說(shuō)明了干式蝕刻對(duì)各式微機(jī) 電組件工藝的多樣性的需求，或許將來(lái)更是名目繁多。輪廓控制是微機(jī)電組件過(guò)程中普遍考慮的因素。隨著蝕刻深度的增加，高速率蝕刻趨向于再加劇蝕刻效果（過(guò)多的蝕刻與沉積物間的關(guān)系）；高深寬比的線寬特征將隨著蝕刻深度的加深，線