用于MEMS器件的DRIE工艺.doc

用于MEMS器件的DRIE工艺Michel Puech, Jean-Marc Thevenoud, Jean-Marc Gruffat, Alcatel Micromachining SystemsmEMS产品越来越多地应用于消费类电子市场，例如：汽车电子、通信设备、信息技术、医疗领域以及环境工程等方面。大规模生产的MEMS产品，包括：陀螺仪、加速度计、硅麦克风、喷墨打印机的打印头、轮胎压力计以及生物医学装置等，市场竞争要求尽可能地降低其制造成本。对于工业界来讲，成本降低是MEMS产品能否成功的关键。深反应离子蚀刻（DRIE）设备制造商正在不断地优化设备成本，同时最大限度地提高生产效率。对于DRIE设备，蚀刻速率是决定其能否获得高生产效率的关键工艺参数。长期以来一直进行的改善蚀刻速率研究已经获得了重大突破。另一个关键因素是工艺良率，决定了单片硅片上可以获得的有效芯片数量的最大值。成功设计出了硅片边缘保护和蚀刻剖面角度精细控制的解决方案。自动化程度的提高也为硅片生产能力的提高提供了必要条件。在集簇反应腔平台上使用具有成本优势的DRIE工艺模块，可以同时实现高良率和高吞吐率。高蚀刻速率高效的DRIE设备要能够实现高蚀刻速率以及相对于光刻胶掩膜的高蚀刻选择比，高密度等离子体可以提高反应气体的离解率，较低的等离子体电势可以提高蚀刻选择比。对于标准RIE系统，由于其本身DC偏置电压值较高，导致蚀刻选择比下降，因此不能完全满足上述要求。在高密度等离子体（HDP）源中，感应耦合等离子（ICP）是DRIE设备最佳的候选者之一。由于其可以产生HDP（10111012原子/cm3），因此在相对较高的气压下，能够提供足够高的气体离解率及较低的等离子体电势。由ICP等离子体源所产生的氟自由基通过气相传输到硅表面，与硅反应生成可挥发性的SiF4分子，根据反应公式，气相部分通过泵系统排出使反应得以继续：Si(s) + 4F(g) SiF4(g) + G0对于设定好的等离子体参数，例如：气流、气压和ICP功率，可以算出当氟与硅发生反应时的气体分压。由于硅蚀刻速率与到达硅表面的氟自由基成正比，因此，能够产生大量氟自由基的硬件装置和特殊工艺条件的开发是实现高蚀刻速率的前提。图1. MEMS及半导体蚀刻后典型的特征尺寸和蚀刻深度。为了实现各向异性蚀刻，需要在纯氟的反应气体中加入侧壁钝化的组分。Bosch工艺是一个成功的例子：其交替使用SF6和C4F8等离子体完成各向异性的蚀刻。SF6等离子体可以实现各向同性的蚀刻，而C4F8等离子体可以在所有表面淀积很薄的聚合物，完成钝化步骤。反应过程中，水平表面的聚合物可以通过紧随其后的SF5+离子轰击去除。因此，蚀刻将沿着垂直方向进行，从而产生垂直的侧壁（图1）。由于用于侧壁钝化的聚合物具有很强的保护作用，因此在同一片硅片上可以对很宽范围内的特征尺寸图形进行蚀刻。钝化工艺步骤通过全面的实验设计（DOE）进行了优化。其可以反映不同工艺参数之间相互作用的结果，以及等离子体源功率和硅片温度对于获得最大淀积速率的重要性。高的硅蚀刻速率以及高效的淀积步骤使得各向异性蚀刻成为可能，可以获得高于50祄/min的蚀刻速率。随着蚀刻速率的提高，无论硅片直径多大，控制硅片温度的能力对于获得硅片范围在到达硅片表面的所有能量当中，最重要的一个是硅与氟气反应所产生的能量：Si (s) + 4xF (g) SiF4 (g) + G0=385 Kcal/mol这个能量（PE）与 位时间单位表面积所蚀刻掉的硅的量成正比：PE = Si mol/ (TMmol)G0其中Mmol为摩尔质量（28g/mol），Si mol为蚀刻掉的硅的数量，T代表时间，G0代表化学反应能量。因此，PE直接与蚀刻速率和硅片表面暴露的表面积成正比。这意味着，要大幅提高蚀刻速率需要高效的硅片卡盘设计，从而可以将硅片表面产生的热量及时散发出去。为了散发所有热量，同时实现硅片表面最佳的温度均匀性，开发了具有创新性的“P”型静电卡盘，其可以通过调节温度影响硅片上的图形。对于给定的某工艺，使用“P”型静电卡盘可以获得优异的传热性能，使硅片范围内的温度均匀性达到0.15oC。高良率对于蚀刻设备而言，蚀刻速率是十分重要的参数之一，但不是唯一的。事实上，高良率可以降低单个芯片的所有权成本（CoO）。开发了多个解决方案改善设备性能已获得良率最大化。大多数情况下，使用光刻胶作为掩膜时，需要使用洗边工艺去除硅片边缘的光刻胶。这样，失去保护的硅片边缘区域会被等离子体蚀刻。对于蚀刻时间较长的工艺，由于蚀刻造成的硅片边缘过薄，会在后续处理产生问题。在不影响蚀刻整体性能的前提下，硅片边缘保护技术的开发包括：蚀刻速率和蚀刻剖面角度偏差，可以避免硅片边缘的蚀刻（图2和3）。图2. 没有边缘保护情况下的硅片边缘剖面图：发生了严重的硅蚀刻。图3. 有边缘保护情况下的硅片边缘剖面图：未发生硅蚀刻。消除倾斜对于陀螺仪和加速度计等应用，蚀刻剖面要严格地垂直于硅片表面以保证器件的精确性。目前，已经证实了流体、离子以及中性粒子是优化工艺性能的核心参数。以ICP等离子体源为例，通过优化几何尺寸、材料、气压、射频耦合、等离子体磁场限制以及气体注射完成等离子体源的开发。将ICP等离子体源与“P”型静电卡盘配合使用，可以使蚀刻角度的控制精度达到前所未有的高度（图4）。事实上，对于常规系统，角度偏差大于0.4o，而对于上述系统，角度偏差则远低于0.2o。 高选择比完成深槽蚀刻某些应用（例如：硅麦克风）要求蚀刻深度超过500祄。对于这样的蚀刻工艺，需要预先淀积很厚的光刻胶或者更厚的二氧化硅掩膜。但是，不管厚胶还是厚的二氧化硅薄膜都会提高制造成本且耗费更多的时间。为了降低整体工艺流程的成本，开发出专门的硬件设备可以使蚀刻选择比提高75%，甚至更多，这样便降低了光刻掩膜步骤的成本。图4. 200mm硅片上所测得的角度偏差。结论本文介绍了用于MEMS产品的具有成本效益的工艺解决方案。DRIE工艺解决方案可以获得高于50祄/min的蚀刻速率。硅片边缘保