電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)在微機(jī)電中的應(yīng)用

電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)在微機(jī)電中的應(yīng)用

作為一種重要的微機(jī)械加工技術(shù)（ss），其雕刻技術(shù)在微機(jī)械系統(tǒng)（ss）的小型加工中起著重要作用，由于其高興性和大面積雕刻的均勻性、雕刻的垂直性、污染少、雕刻表面光滑等優(yōu)點(diǎn)，而采用致密、深比結(jié)構(gòu)。這在大大提高了紳士產(chǎn)量方面發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。在MEMS器件加工過(guò)程中,含氟等離子體刻蝕硅表面過(guò)程中包含大量復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)。目前,由于對(duì)ICP刻蝕的物理及化學(xué)機(jī)制還沒(méi)能完全解釋清楚,在利用ICP加工時(shí),往往需要做大量的工作來(lái)優(yōu)化工藝。本文主要研究了ICP刻蝕中極板功率,腔室壓力,刻蝕/鈍化周期,氣體流量等參數(shù)對(duì)刻蝕形貌的影響,通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出了深硅刻蝕、側(cè)壁光滑陡直刻蝕和高深寬比刻蝕等工藝的優(yōu)化刻蝕參數(shù)。1利用沉積間的平衡控制來(lái)研磨cf8與sf6ICP刻蝕采用側(cè)壁鈍化技術(shù),沉積與刻蝕交替進(jìn)行,各向異性刻蝕效果好,在精確控制線(xiàn)寬的下能刻蝕出高深寬比形貌。其基本原理是:首先在側(cè)壁上沉積一層聚合物鈍化膜,再將聚合物和硅同時(shí)進(jìn)行刻蝕(定向刻蝕)。在這個(gè)循環(huán)中通過(guò)刻蝕和沉積間的平衡控制來(lái)得到精確的各向異性刻蝕效果。鈍化和刻蝕交替過(guò)程中,C4F8與SF6分別做為鈍化氣體和刻蝕氣體。第一步鈍化過(guò)程如反應(yīng)式(1)和式(2)所示。通入C4F8氣體,C4F8在等離子狀態(tài)下分解成離子態(tài)CFx+基,CFx-基與活性F-基,其中CFx+基和CFx-基與硅表面反應(yīng),形成nCF2高分子鈍化膜,鈍化過(guò)程如圖1所示。第二步刻蝕過(guò)程,如反應(yīng)式(3)-式(5)所示,通入SF6氣體,增加F離子解離,F-與nCF2反應(yīng)刻蝕掉鈍化膜并生成揮發(fā)性氣體CF2,接著進(jìn)行硅基材的刻蝕,刻蝕過(guò)程如圖2所示。2真空反應(yīng)腔密封實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)采用英國(guó)STS公司的STSMultiplex高密度反應(yīng)離子刻蝕機(jī),如圖3所示。系統(tǒng)分別有兩路獨(dú)立的射頻功率源,一路連接到真空反應(yīng)腔室外的電感線(xiàn)圈上用于反應(yīng)氣體的電離。另一路連接到真空反應(yīng)腔室內(nèi)放置樣品的平板底部用于控制離子能量來(lái)進(jìn)行刻蝕。本次實(shí)驗(yàn)中兩路射頻功率源頻率都采用13.56MHz,樣品為單面拋光N型<100>晶向4英寸硅片,厚度為525μm,電阻率為2.3~4.5Ψ·cm。實(shí)驗(yàn)中所用光刻膠為AZP4620(3000min)和LC100A(2000min)。2.1工藝參數(shù)調(diào)整深硅刻蝕采用鈍化與刻蝕不斷交替循環(huán)累加以達(dá)到所需刻蝕深度。但是隨著刻蝕深度的不斷增加,到達(dá)底部的活性F-基密度會(huì)逐漸變小,刻蝕速度也會(huì)隨之降低,刻蝕過(guò)程與鈍化過(guò)程達(dá)不到有效的平衡,這樣就會(huì)影響側(cè)壁粗糙度和垂直度。在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了工藝參數(shù)調(diào)整,如表1所示,在線(xiàn)圈功率和腔室壓力不改變的情況下,增大刻蝕過(guò)程中的極板功率,極板功率設(shè)置為初始值15W結(jié)束值25W。增加SF6氣體流量,設(shè)初始值為130mL/min結(jié)束值為150mL/min,延遲刻蝕時(shí)間,刻蝕時(shí)間12s延遲3s。這樣以保證隨著深度的增加到達(dá)底部的活性F-基密度不會(huì)變小,從而保證其刻蝕速率不變。經(jīng)過(guò)對(duì)這幾個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)刻蝕效果得到明顯提高,圖4是在表1優(yōu)化工藝參數(shù)下的深硅刻蝕掃描電鏡(SEM)圖片,硅深槽的寬為50μm,深為340μm,垂直度為88.93°。2.2雙向保護(hù)作用對(duì)于側(cè)壁光滑度和垂直度要求較高的形貌刻蝕中,在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn),如表2所示。在刻蝕過(guò)程中通入一定比例的O2,這樣刻蝕過(guò)程中裸露出來(lái)的硅在氧等離子體的輻照下被氧化,形成一薄層SiO2保護(hù)層,從而在Si槽側(cè)壁形成了由SiO2薄膜和CFx聚合物組成的雙層保護(hù)層,刻蝕過(guò)程中氧等離子體的輻照氧化會(huì)使刻蝕過(guò)程中形成的粗糙側(cè)壁氧化,從而起到Si槽側(cè)壁拋光作用。由于刻蝕過(guò)程中會(huì)存在一定的橫向鉆刻,在刻蝕過(guò)程中通入少量的C4F8氣體,可以減小這種橫向鉆刻,使側(cè)壁更加平坦光滑。通入C4F8氣體的流量為初始值10mL/min到結(jié)束值的5mL/min,這樣既不影響刻蝕速率又有效地減小了刻蝕過(guò)程中的橫向鉆蝕?？涛g/鈍化時(shí)間設(shè)為6s/3s,刻蝕與鈍化周期的縮短可以有效提高側(cè)壁的光滑度。圖5是在表2優(yōu)化工藝參數(shù)下的側(cè)壁光滑陡直刻蝕SEM圖片,槽寬為3μm,深為37μm,垂直度達(dá)89.38°,側(cè)壁粗糙度為34.7nm。2.3改進(jìn)工藝后的參數(shù)由于刻蝕的槽開(kāi)口較窄,隨著刻蝕深度的增加溝道底部寬度會(huì)變得越來(lái)越小,嚴(yán)重影響了槽的側(cè)壁垂直度。通過(guò)增大刻蝕過(guò)程中的極板功率,可以改變這種現(xiàn)象。但是極板功率的增大會(huì)加速高能量的離子間的碰撞,造成槽側(cè)壁與等離子體形成負(fù)電位。刻蝕過(guò)程中入射離子在進(jìn)入溝道中會(huì)由于負(fù)電場(chǎng)的存在而發(fā)生偏離,偏離的離子會(huì)刻蝕側(cè)壁(bowing現(xiàn)象),達(dá)不到各向異性刻蝕的效果。因?yàn)殁g化過(guò)程中沉積的鈍化膜是絕緣的,所以增加鈍化膜的厚度可以有效控制bowing現(xiàn)象。在刻蝕過(guò)程中通入少量的O2由于反應(yīng)生成的SiO2是絕緣的可以阻止bowing現(xiàn)象產(chǎn)生,而且對(duì)硅槽側(cè)壁還有拋光的作用。表3為改進(jìn)工藝后的參數(shù)。圖6是在表3優(yōu)化工藝參數(shù)下的高深寬比刻蝕形貌SEM圖片,寬為2.3μm、深為53μm、深寬比大于20、側(cè)壁垂直度達(dá)89.9°。3工藝參數(shù)優(yōu)化ICP刻蝕技術(shù)由于其高各向異性刻蝕能力、較高的刻蝕速率、對(duì)不同材料的刻蝕有較高的選擇比、控制精度高等特點(diǎn),在MEMS加工工藝中被廣泛應(yīng)用。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)了三組不同形貌刻蝕的工藝參數(shù)。在深硅刻蝕中著重對(duì)刻蝕過(guò)程中的極板功率、SF6氣體流量和刻蝕周期這些工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化,刻蝕得到340μm深,50μm寬的理想硅槽。在側(cè)壁光滑陡直刻蝕中,刻蝕周期中通入少量