電感耦合等離子體刻蝕工藝參數(shù)分析

電感耦合等離子體刻蝕工藝參數(shù)分析

0mems制造工藝的優(yōu)化近年來，微型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（ss）得到了廣泛應(yīng)用。它具有成本低、體積小、重量輕、效率低等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事車輛、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。Si是MEMS器件的主要制作材料,具有良好的電學(xué)特性,耐腐蝕,抗輻射,是制作傳感器以及電子器件的理想材料。隨著Si電子器件的應(yīng)用越來越廣泛,對器件的制造工藝要求也日漸提高,因此干法刻蝕高深寬比Si微結(jié)構(gòu)的研究顯得越來越重要。刻蝕是Si電子器件制造工藝中非常重要的一步,用濕法刻蝕很難獲得滿意的刻蝕速率,可控性較差,所以,有必要研究干法刻蝕刻蝕速率以及刻蝕形貌和刻蝕機(jī)理。深反應(yīng)等離子體刻蝕(DRIE)技術(shù)是體硅MEMS加工技術(shù)一個重要的方法,在MEMS制造工藝中的應(yīng)用也越來越廣泛,同時DRIE工藝比LIGA技術(shù)易控制。本文針對影響ICP體Si深刻蝕的側(cè)壁形貌的工藝參數(shù)進(jìn)行深入分析及優(yōu)化,著重分析了平板功率對刻蝕的側(cè)壁形貌和刻蝕的速率的影響。通過正交實(shí)驗,對Si干法蝕刻的主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究,并得出一組理想的刻蝕參數(shù)。1異性刻蝕結(jié)果ICP刻蝕是基于Bosch開發(fā)的ASETM工藝,即利用鈍化、刻蝕交替進(jìn)行的方法進(jìn)行刻蝕。先沉積一層聚合物用于保護(hù)側(cè)壁,再將聚合物與Si同時刻蝕掉,由刻蝕與沉積步驟間的平衡控制,來得到各向異性的刻蝕結(jié)果。刻蝕工藝過程分為鈍化與刻蝕兩步。用SF6進(jìn)行刻蝕,用C4F8生成聚合物形成側(cè)壁保護(hù)。垂直方向的刻蝕速度遠(yuǎn)大于對側(cè)壁的刻蝕速度,因此可以得到很好的各向異性刻蝕結(jié)果。第一步,沉積側(cè)壁保護(hù)層:通入氣體C4F8,在高頻磁場和感生電場的共同作用下C4F8分解成CFx+基、CFx-基和活性F-基,見式(1),其中CFx+基和CFx-基與Si表面反應(yīng)形成PTFE狀(CF2)n高分子鈍化膜,見式(2)。第二步,刻蝕:通入SF6氣體以增加F離子分解,見式(3),生成的大量F-基一方面與鈍化膜反應(yīng)生成CF2揮發(fā)性氣體,接著與Si反應(yīng)生成揮發(fā)性氣體SiFx。ICP刻蝕工藝流程如圖1所示。2反應(yīng)離子刻蝕機(jī)的影響本實(shí)驗所得數(shù)據(jù)均為以Al為掩膜,基于100mm(4英寸)的英國STS公司的multiplexICP高密度反應(yīng)離子刻蝕機(jī)。在該系統(tǒng)中有很多參數(shù)變化量,比如平板功率、刻蝕/保護(hù)時間周期、腔室內(nèi)的壓強(qiáng)以及先前的工藝參數(shù)等。為了研究平板功率對刻蝕結(jié)果的影響,應(yīng)固定刻蝕系統(tǒng)的各參數(shù)。其中,周期內(nèi)刻蝕時間為8s;保護(hù)時間為5s;線圈功率為600W;刻蝕氣體SF6的流量為13cm3/min;鈍化氣體C4F8的流量為13cm3/min。2.1開口幅值對刻蝕速率的影響當(dāng)總的刻蝕時間是330min時,對平板功率采取分段調(diào)節(jié),對開口幅值不同的Si片進(jìn)行刻蝕,具體見表1。表1中工藝參數(shù)水平a表示為首先調(diào)節(jié)平板功率為14W,持續(xù)時間為90min,然后將平板功率調(diào)節(jié)為16W,持續(xù)時間為120min,最后再將平板功率調(diào)至18W,持續(xù)時間為120min。根據(jù)表1的實(shí)驗規(guī)劃,由圖2發(fā)現(xiàn),隨著開口幅值的增大,刻蝕深度相應(yīng)增大,例如工藝參數(shù)水平f,刻蝕深度hetch隨開口幅值x的函數(shù)關(guān)系如方程(6)和(7)。當(dāng)10μm≤x1≤50μm時當(dāng)50μm≤x2≤100μm時由圖3發(fā)現(xiàn),隨著開口幅值的增大,刻蝕速率也相應(yīng)增大。例如工藝參數(shù)水平f,刻蝕速率隨開口幅值的函數(shù)關(guān)系如方程(8)和(9)。當(dāng)10μm≤x3≤50μm時當(dāng)50μm≤x4≤100μm時由方程(6),(7),(8)和(9)以及對比圖2與圖3可以發(fā)現(xiàn),刻蝕的速率與深度有著相同的曲線走勢。如果忽略側(cè)壁刻蝕,即側(cè)壁受到完全保護(hù),刻蝕深度等于刻蝕速率與時間的乘積。實(shí)際上,在其他因素不變的前提下,刻蝕速率與刻蝕深度大致成線性的比例關(guān)系。由圖2和圖3還可以發(fā)現(xiàn),在其他參數(shù)恒定不變的情況下,小幅度且等幅值地增加平板功率,在相同的刻蝕時間內(nèi)刻蝕的深度是最大的。但也有例外,如工藝參數(shù)水平a沒有遵循小幅值增加的規(guī)律,盡管它也是等幅值增加,由圖3發(fā)現(xiàn)刻蝕速率并不理想。由圖4可知,在開口幅值為50μm的特定條件下,側(cè)壁刻蝕深度l以及垂直度曲線的走勢是相反的,這就說明了側(cè)壁刻蝕程度影響了側(cè)壁垂直度。當(dāng)側(cè)壁受到刻蝕自然會影響側(cè)壁垂直度,同時還會影響刻蝕深度,因為存在部分刻蝕離子沒有往下刻蝕,而是消耗在側(cè)壁上。由于ICP刻蝕是通過平板功率的調(diào)節(jié)使得刻蝕氣體向下反應(yīng),保護(hù)氣體則是保護(hù)側(cè)壁。但是由于平板功率的作用是雙重的,既增加了刻蝕深度,這是實(shí)驗所期待的,但是也影響了側(cè)壁的垂直度,并且當(dāng)初始平板功率過大且非等幅值增加時,所造成的側(cè)壁水平刻蝕最大,從而使側(cè)壁垂直度最低。2.2開口幅值的影響刻蝕深度以及刻蝕速率隨著平板功率和開口幅值的增加而增加(圖5和圖6),說明開口和平板功率越大,對提高刻蝕氣體SF6的流速越有利。比較圖5和圖6,同樣也可以發(fā)現(xiàn)刻蝕深度與刻蝕速率接近線性的比例關(guān)系。線圈功率的大小主要是將輸入氣體進(jìn)行分解,而平板功率則是將分解的離子吸附到基片上。Si刻蝕的深度、側(cè)壁的垂直度以及速率起初都隨著開口幅值的17次方而增加,當(dāng)開口幅值增加到一定程度時,它們與開口幅值成線性的比例關(guān)系。說明在開口較小的情況下,即刻蝕離子是在一個極狹小的縫隙中穿越,自然會存在離子散射。由于通道的狹小,這樣的散射以及再散射的概率是極高的。因此隨著開口幅值的增加,散射與再散射的概率會越來越小,直至幾乎沒有散射和再散射,最終深度、垂直度、速率與開口幅值成線性比例關(guān)系。當(dāng)然刻蝕深度隨著平板功率的增加而增加,這是因為平板是帶正電荷的,這將會吸引分解的負(fù)離子即刻蝕離子。功率越大正電荷越多,刻蝕離子就越多,所以刻蝕深度與刻蝕速率相應(yīng)地就越大。2.3工藝條件刻蝕通過對主要的刻蝕工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗、調(diào)整、優(yōu)化,最終采用表2的工藝條件進(jìn)行刻蝕,得到深寬比為25∶1,以及側(cè)壁垂直度為90°±1°的刻蝕結(jié)果。通過德國Zeiss的ULTRATM掃描電鏡進(jìn)行觀測,可觀測到如圖7所示的立方柱結(jié)構(gòu)和圖8所示螺紋狀的刻蝕側(cè)壁形貌。3平板功率的影響基于ICP體Si深刻蝕的側(cè)壁形貌,可以通過改變平板功率、刻蝕氣體SF6和鈍化氣體C4F9的流量以及刻蝕/鈍化周期等