深硅刻蝕工藝原理

1、硅蝕刻工藝在MEMS中的應(yīng)用文章來源：本站原創(chuàng)點擊數(shù)：E97錄入時間：2006-4-7爼收藏此頁B減小字體 0增大字體Dave Thomas / Trikon Technologies , Newport, Wales, United Kingdom本文介紹了在現(xiàn)代微機電系統(tǒng)(MEMS ； Micro Electro-Mechanical System )制造過程中必不可少的硅蝕刻流程，討論了蝕刻設(shè)備對于滿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 as

2、pect 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，以滿足微機電系統(tǒng)的未來發(fā)展需求。微機電系統(tǒng)是在芯片上集成運動件，如懸臂(cantilever)、薄膜(membrane)、傳感器(sensor)、反射鏡(mirror)、齒輪(gear)、馬達(motor)、共振器(resonator)、閥門(valve)和泵(pump)等。些組件都是用微加工技術(shù)(micromachining )制造的。由于硅材料的機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)的首要選擇材料。

3、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。然而，它所具有對硅材料各方向均以相同蝕刻速率進行的等向性(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，會限制我們在工藝中對應(yīng)用制造的特定要求，例如噴墨打印機的細(xì)微噴嘴制造(非等向性蝕刻特性總會造成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，此類干式蝕刻工藝可獲取具有垂直側(cè)壁的幾何圖案

4、。舉例來說，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)。通常我們會優(yōu)先考慮濕式蝕刻方式，但對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，則會考慮選擇采用干式蝕刻來達到工藝要求。硅蝕刻廣泛應(yīng)用的硅蝕刻方法，是起源于德國Robert Bosch公司開發(fā)的非等向性硅蝕刻工藝方法，被稱為 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，與通過反應(yīng)形成高分子蔽覆層(Polymeric passivation layer)的另一種等離子源，兩者反復(fù)交替進行

5、的方法，以達到硅蝕刻的工藝要求。常用的在硅蝕刻生產(chǎn)過程中的氣體選擇，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個氟原子，而這些氟原子會繼續(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、及千瓦等級的射頻（RF）能量等操作條件下，蝕刻率可達20微米/分。為達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 2:1C4F:C20gm時的操作經(jīng)驗，基本上有 90%會發(fā)生過度蝕刻現(xiàn)象；盡管如此，對于線

6、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題，如應(yīng)用在回轉(zhuǎn)儀（gyroscopes）及硬盤機的讀取頭等微機電組件即為此例。另外，此高深寬比的特性也是發(fā)展下一代晶圓級的高密度構(gòu)造連接上的解決方案。考慮到有關(guān)高深寬比的主要問題，是等離子進出蝕刻反應(yīng)區(qū)的狀況：包括蝕刻劑進入蝕刻接口的困難程度（可借助離子擊穿高分子蔽覆層實現(xiàn)），以及反應(yīng)副產(chǎn)品受制于孔洞中無法脫離。在一般的等離子壓力條件下，離子的準(zhǔn)直性（ Ion collimation ）運動本身

7、就會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)微變化可能會改變蝕刻過程中的輪廓。一般說來，隨著蝕刻深度加深，蝕刻劑成分會減少，導(dǎo)致過多的高分子聚合反應(yīng)，和蝕刻出漸窄的線寬。針對上述問題，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的硬件及工藝，這樣即可補償蝕刻劑在大量離子遷徙的變化所造成的影響。這里有一個針對 8 寸晶圓級所設(shè)計的專門的工藝?yán)?。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 說明具線寬

8、1.7 Z （約6:1的高深寬比）及線寬 200gm （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)用在汽車及信息科技 /娛樂部分的微機電制造商，在未來幾年，將會推動極具生產(chǎn)價值的硅蝕刻工藝的開發(fā)需求。硅蝕刻工藝是制造微機電組件過程中的一個關(guān)鍵的模塊。上述四種工藝模塊，說明了干式蝕刻對各式微機電組件工藝的多樣性的需求，或許將來更是名目繁多。輪廓控制是微機電組件過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，線寬有向越來越窄的趨勢（過少的蝕刻與沉積物間的關(guān)系）；而絕緣層上硅晶的蝕刻技術(shù)，可應(yīng)用在需要掩埋的蝕刻終止層上，滿足具有無凹槽輪廓的工藝需求。工藝技術(shù)需要多樣化，還要具有更高穩(wěn)定性和更好的再現(xiàn)功能，可實現(xiàn)可靠的量產(chǎn)目標(biāo)。尤其，蝕刻率的均勻度需要改善，深寬比需要再度增加（隨著