rie技術(shù)刻蝕pmma的研究

rie技術(shù)刻蝕pmma的研究

1其他深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)由于微電機系統(tǒng)的發(fā)展，對微結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。其中之一就是要加工出具有盡可能大的深寬比結(jié)構(gòu)。只有這樣,器件的性能如靈敏度、驅(qū)動力和位移量等才能得到提高。而要加工大的深寬比結(jié)構(gòu),就要刻蝕過程具有高的選擇比和良好的各向異性。由德國人開發(fā)出的LIGA技術(shù)在這方面獲得了極大的成功。但是由于該技術(shù)需要使用同步輻射光源和特制的光刻掩模板,因此加工周期較長,費用較高。為了降低加工成本,人們又開發(fā)出使用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)刻蝕厚光刻膠也獲得了具有高深寬比的微電鑄結(jié)構(gòu)。由于這種技術(shù)不需要昂貴的光源,加工成本大大降低;同時也不需要單獨制作掩模板,加工工藝也大大簡化。目前報道較多的是用RIE刻蝕Polyimide.例如S.Watanabe等用磁控O2RIE技術(shù)刻蝕Polyimide,其刻蝕深度為50μm,深寬比大于10,但是從其提供的SEM照片上看刻蝕圖形的側(cè)壁并不是非常垂直。另外,F.Shimokawa等也報道了類似的結(jié)果。而刻蝕PMMA,目前只有Shib?ChiaChang等報道了曾嘗試用RIE刻蝕PMMA,刻蝕深度小于20μm,但文章中并沒有給出PMMA刻蝕的具體工藝參數(shù)。實際上,PMMA是LIGA技術(shù)中最為常用的光刻膠,厚PMMA膜的制備在LIGA工藝中已很成熟,其厚度可以采用磨、拋的方法加以控制,而與Si基底的結(jié)合力問題也已解決。如果選擇合適的掩模及用合適的方法加以圖形化,有可能利用O2RIE深刻蝕PMMA以獲得理想的微結(jié)構(gòu)。本文著重研究了利用O2RIE深度刻蝕PMMA獲得較為理想的微結(jié)構(gòu)的過程,并著重討論了刻蝕速率與刻蝕工藝參數(shù)的關(guān)系。2模型材料的制備圖1表示了試驗的全過程。在硅片上,先濺射一層厚約2μm的金屬Ti并氧化。然后用模壓的方法制作PMMA膜,厚度為100μm。接著在上面濺射一層金屬Ni作電鍍種子層,然后電鍍加厚到約1μm。再經(jīng)涂膠、光刻、顯影等工藝制作掩模圖形,然后用濕法刻蝕的方法將圖形轉(zhuǎn)移到Ni膜上,濕法刻蝕采用10%H2SO4+5%H2O2溶液,溫度為室溫。至此模制作工藝完成。接著就可用O2RIE進行刻蝕加工。刻蝕采用法國生產(chǎn)的NEXTRAL100型刻蝕機,本底真空度為1.33×10-5Pa,刻蝕氣體采用純度為99.99%的氧?？涛g深度用DEKTEKⅡD型表面輪廓儀測量,而刻蝕速率則由刻蝕深度和刻蝕時間決定?？涛g后的微結(jié)構(gòu)則用HITACHI2150型掃描電子顯微鏡來觀察。3結(jié)果與討論3.1煙氣壓的影響圖2為刻蝕速率(R)與氧氣壓的關(guān)系。從圖中可以看出,隨著O2氣壓從3.3Pa升到12Pa時,刻蝕速率也隨著增大。反應(yīng)離子刻蝕過程是一種十分復(fù)雜的物理和化學的綜合作用?？涛g過程中的等離子體中包括由碰撞產(chǎn)生的離子、電子以及氧游離基(游離態(tài)的氧原子、分子或原子團)?？涛g過程中,氧游離基具有很強的化學活性,可與被刻蝕樣品表面的PMMA起化學反應(yīng),形成揮發(fā)性物質(zhì),這就是化學刻蝕過程。同時刻蝕過程中也存在粒子的轟擊效應(yīng),但是這里的粒子轟擊效應(yīng)又不僅僅是一種物理效應(yīng),它對化學反應(yīng)還產(chǎn)生顯著的增強作用,因此,氣壓對刻蝕速率可以有兩方面的影響:一方面當氧氣壓降低的時候,離子的平均自由程增大而碰撞幾率減小,因而離子的能量升高,從而導(dǎo)致物理刻蝕的速率增強;另一方面,隨著氧氣壓的升高,物理刻蝕速率會降低,但是可參加化學反應(yīng)的氧游離基將會大大增加,這樣就會使得化學刻蝕速率大大加快。本試驗的結(jié)果表明第二方面的原因是影響刻蝕速率的主要因素。Percy.B.Chincy在用反應(yīng)離子刻蝕BCB時也得到了相似的結(jié)論。圖3為刻蝕速率與刻蝕功率的關(guān)系。從圖中可以看出,隨著刻蝕功率的升高,刻蝕速率也會增大。功率的增加,對刻蝕過程存在著兩方面的影響。一方面隨著功率的增加,加速電壓增大,自由電子的能量升高,經(jīng)過與氧活性基團碰撞后發(fā)生能量交換,因而使參加化學反應(yīng)的氧活性基團的能量增加,與被刻蝕物質(zhì)的化學反應(yīng)速度加快,從而使化學刻蝕作用增強;另一方面,隨著功率的增加,導(dǎo)致轟擊基片的氧離子能量也會增大,由此物理刻蝕效應(yīng)也不斷增強。由于這兩方面的原因,導(dǎo)致隨著刻蝕功率的增加,刻蝕速率也隨之單調(diào)增加。但是,當刻蝕功率增大到一定程度時,PMMA會出現(xiàn)發(fā)焦起泡的現(xiàn)象。3.2等離子體的負電勢作用電子平衡的機理刻蝕自偏壓是刻蝕工藝參數(shù)的綜合作用結(jié)果。由于采用射頻電源,在負半周基片上加載負電壓,吸引正離子轟擊基片;而在正半周則是電子轟擊基片。由于電子質(zhì)量遠小于離子,因而電子的運動速度遠大于離子的運動速度,由此導(dǎo)致基片上出現(xiàn)負電荷的積累,產(chǎn)生相對于等離子體的負電勢。這個負電勢將會阻止電子轟擊基片,使得平衡時轟擊基片的電子數(shù)與離子數(shù)相等。此平衡時的電勢就是所謂的自偏壓。由以上分析可見,自偏壓相對于等離子體的電勢為負,因而它對離子轟擊基片有加速的作用,它是影響物理刻蝕的關(guān)鍵因素。一般來說,刻蝕氣壓、刻蝕功率等都會影響自偏壓,從而對刻蝕過程產(chǎn)生影響(如圖4和5分別表示的是自偏壓與氧氣壓和刻蝕功率的關(guān)系)。3.3微保格效應(yīng)的轉(zhuǎn)化圖6所示的是未完全刻蝕的圖形的SEM照片?？涛g條件為:氣壓3.3Pa,刻蝕功率40W刻蝕時間為60分鐘,氣體流量25sml。刻蝕深度約為27μm。從圖中可以看出,圖型的側(cè)壁比較垂直,但底部有很多草狀的殘余物。形成這種現(xiàn)象的原因,一般認為是微掩模效應(yīng)造成的。微掩模的形成主要有兩個原因:一是在刻蝕過程中,掩模材料(Ni)受轟擊后又重新沉積在應(yīng)被刻刻蝕的PMMA上,起到了微掩模的作用,致使被覆蓋部分的刻蝕速率遠低于未被覆蓋的部分,因而經(jīng)過一段時間的刻蝕就會形成草狀殘余物;另外SusumAsada等認為也有可能是基座材料(Al)受轟擊后再沉積到應(yīng)被刻蝕的PMMA上而形成的。圖7所示的是刻蝕到底的圖形SEM照片?？涛g條件與圖6的刻蝕條件基本相同,只是刻蝕時間為4小時,深度約為100μm,線寬為20μm。從此圖可以看出,草狀殘余物已經(jīng)基本被刻蝕干凈。同時還可以看出,雖然經(jīng)過了長時間的刻蝕,刻蝕深度已經(jīng)達到100μm,但是圖形的側(cè)壁仍然基本垂直,而且較為光滑。而刻蝕深寬比(定義為縱向刻蝕深度與橫向刻蝕深度之比)明顯大于10。3.4刻蝕速率的測定為了獲得完好和準確的圖形,對不同材料的刻蝕應(yīng)具有選擇性?？涛g選擇性通常用被刻蝕材料的刻蝕速率與掩模材料的刻蝕速率之比來表示。本實驗中用Ni薄膜做掩模,刻蝕選擇比(本試驗中為PMMA刻蝕速率與掩模材料Ni刻蝕速率之比)可達200以上,基本滿足了深刻蝕的要求,同時它也比較容易用濕法化學刻蝕的方法圖形化。4刻蝕圖形和功率(1)利用O2RIE技術(shù)刻蝕PMMA,選擇合適的工藝參數(shù),可獲得刻蝕深寬比大于10、厚度達100μm的微結(jié)構(gòu)?？涛g圖