深硅刻蚀工艺原理

1、硅蚀刻工艺在MEMS中的应用文章来源：本站原创点击数：E97录入时间：2006-4-7爼收藏此页B减小字体 0增大字体Dave Thomas / Trikon Technologies , Newport, Wales, United Kingdom本文介绍了在现代微机电系统(MEMS ； Micro Electro-Mechanical System )制造过程中必不可少的硅蚀刻流程，讨论了蚀刻设备对于满足四种基本蚀刻流程的要求并做了比较，包括块体(bulk)、精度(precision)、绝缘体上硅芯片(SOI ； Silicon On Insulator )及高深宽比的蚀刻(high as

2、pect ratio etching)等。并希望这些基本模块能衍生出可提供具备更高蚀刻率、更好的均匀度、更平滑的蚀刻侧壁及更高的高深宽比的蚀刻能力等蚀刻设备，以满足微机电系统的未来发展需求。微机电系统是在芯片上集成运动件，如悬臂(cantilever)、薄膜(membrane)、传感器(sensor)、反射镜(mirror)、齿轮(gear)、马达(motor)、共振器(resonator)、阀门(valve)和泵(pump)等。些组件都是用微加工技术(micromachining )制造的。由于硅材料的机械性及电性众所周知，以及它在主流IC制造上的广泛应用，使其成为微加工技术的首要选择材料。

3、在制造各式各样的坑、洞、齿状等几何形状的方法中，湿式蚀刻具有快速及低成本的优势。然而，它所具有对硅材料各方向均以相同蚀刻速率进行的等向性(isotropic )蚀刻特性、或者是与硅材料的晶体结构存在的差异性、产生不同蚀刻速率的非等向性(anisotropic)等蚀刻特性，会限制我们在工艺中对应用制造的特定要求，例如喷墨打印机的细微喷嘴制造(非等向性蚀刻特性总会造成V形沟槽，或具锥状(tapered walls)的坑洞，使关键尺寸不易控制。而干式蚀刻正可克服这个应用限制，按照标准光刻线法( Photolithographic )的光罩所定义的几何图案，此类干式蚀刻工艺可获取具有垂直侧壁的几何图案

4、。举例来说，通常要蚀刻定义出较大尺寸的组件，如电容式加速微传感器(capacitive accelerometers)。通常我们会优先考虑湿式蚀刻方式，但对于需要更精确尺寸控制、或是整体尺寸需微缩的组件的制造，则会考虑选择采用干式蚀刻来达到工艺要求。硅蚀刻广泛应用的硅蚀刻方法，是起源于德国Robert Bosch公司开发的非等向性硅蚀刻工艺方法，被称为 Bosch气体交替技术(Bosch gas-switching technique) 1。利用具有非等向性蚀刻反应的等离子源，与通过反应形成高分子蔽覆层(Polymeric passivation layer)的另一种等离子源，两者反复交替进行

5、的方法，以达到硅蚀刻的工艺要求。常用的在硅蚀刻生产过程中的气体选择，多是采用SF6 (六氟化硫)，因其可在能量只有20eV的条件下即可分解出 6个氟原子，而这些氟原子会继续与Si反应形成挥发性 SiF4 (四氟化硅)。理论上，已定义几何图案的 6寸硅晶圆占据了大约15%的裸片面积，设定等离子反应室内压力30mtorr、SF6流量400sccm、及千瓦等级的射频（RF）能量等操作条件下，蚀刻率可达20微米/分。为达成高速率的高分子沉积反应， 在等离子反应产生的气体内 F 元素与 C 元素的比例需小于或等于 2:1C4F:C20gm时的操作经验，基本上有 90%会发生过度蚀刻现象；尽管如此，对于线

6、宽在0.820微米的范围内、凹槽深度大致维持在100nm这种情况，是不受不同线宽的影响。由此可知在绝缘层硅晶的蚀刻应用上，偏压脉冲可提供较高自由度的操作工艺。高深宽比硅蚀刻工艺通常需要处理高深宽比的问题，如应用在回转仪（gyroscopes）及硬盘机的读取头等微机电组件即为此例。另外，此高深宽比的特性也是发展下一代晶圆级的高密度构造连接上的解决方案。考虑到有关高深宽比的主要问题，是等离子进出蚀刻反应区的状况：包括蚀刻剂进入蚀刻接口的困难程度（可借助离子击穿高分子蔽覆层实现），以及反应副产品受制于孔洞中无法脱离。在一般的等离子压力条件下，离子的准直性（ Ion collimation ）运动本身

7、就会将高深宽比限制在约 50:1。另外，随着具线宽深度特征离子的大量转移，这些细微变化可能会改变蚀刻过程中的轮廓。一般说来，随着蚀刻深度加深，蚀刻剂成分会减少，导致过多的高分子聚合反应，和蚀刻出渐窄的线宽。针对上述问题，设备制造商已发展出随着蚀刻深度加深，在工艺条件下逐渐加强的硬件及工艺，这样即可补偿蚀刻剂在大量离子迁徙的变化所造成的影响。这里有一个针对 8 寸晶圆级所设计的专门的工艺例子。它的主要特征是蚀刻率3.5 微米 /分、线宽 2.5 微米、深宽比约 21:1、蚀刻率的均匀度为 1.5%。其中大于 89的侧壁轮廓及约 30nm 的扇型侧壁深度可容许后续的电介质材料布植。图2 说明具线宽

8、1.7 Z （约6:1的高深宽比）及线宽 200gm （约1:1的高深宽比）特征，所显现出蚀刻率与扇型侧壁深度的根本相关性。结论许多的应用在汽车及信息科技 /娱乐部分的微机电制造商，在未来几年，将会推动极具生产价值的硅蚀刻工艺的开发需求。硅蚀刻工艺是制造微机电组件过程中的一个关键的模块。上述四种工艺模块，说明了干式蚀刻对各式微机电组件工艺的多样性的需求，或许将来更是名目繁多。轮廓控制是微机电组件过程中普遍考虑的因素。随着蚀刻深度的增加，高速率蚀刻趋向于再加剧蚀刻效果（过多的蚀刻与沉积物间的关系）；高深宽比的线宽特征将随着蚀刻深度的加深，线宽有向越来越窄的趋势（过少的蚀刻与沉积物间的关系）；而绝缘层上硅晶的蚀刻技术，可应用在需要掩埋的蚀刻终止层上，满足具有无凹槽轮廓的工艺需求。工艺技术需要多样化，还要具有更高稳定性和更好的再现功能，可实现可靠的量产目标。尤其，蚀刻率的均匀度需要改善，深宽比需要再度增加（随着