感應(yīng)耦合等離子體(ICP) 刻蝕技術(shù)是微機(jī)電系統(tǒng)器件加工中的關(guān)鍵技術(shù)之一。利用英國(guó)STS 公司STS Multiplex 刻蝕機(jī)，研究了ICP 刻蝕中極板功率、腔室壓力、刻蝕/ 鈍化周期、氣體流量等工藝參數(shù)對(duì)刻蝕形貌的影響，分析了刻蝕速率和側(cè)壁垂直度的影響原因，給出了深硅刻蝕、側(cè)壁光滑陡直刻蝕和高深寬比刻蝕等不同形貌刻蝕的優(yōu)化工藝參數(shù)。

　　感應(yīng)耦合等離子體(Induct ively Coupled Plasma,ICP) 刻蝕技術(shù)作為微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 體微機(jī)械加工工藝中的一種重要加工方法，由于其控制精度高、大面積刻蝕均勻性好、刻蝕垂直度好、污染少和刻蝕表面平整光滑等優(yōu)點(diǎn)常用于刻蝕高深寬比結(jié)構(gòu)，在MEMS 工業(yè)中獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。

　　在MEMS 器件加工過(guò)程中，含氟等離子體刻蝕硅表面過(guò)程中包含大量復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)。目前，由于對(duì)ICP 刻蝕的物理及化學(xué)機(jī)制還沒(méi)能完全解釋清楚，在利用ICP 加工時(shí)，往往需要做大量的工作來(lái)優(yōu)化工藝。本文主要研究了ICP 刻蝕中極板功率,腔室壓力，刻蝕/ 鈍化周期，氣體流量等參數(shù)對(duì)刻蝕形貌的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出了深硅刻蝕、側(cè)壁光滑陡直刻蝕和高深寬比刻蝕等工藝的優(yōu)化刻蝕參數(shù)。

1、ICP刻蝕基本原理

　　ICP刻蝕采用側(cè)壁鈍化技術(shù)，沉積與刻蝕交替進(jìn)行，各向異性刻蝕效果好，在精確控制線寬的下能刻蝕出高深寬比形貌。其基本原理是：首先在側(cè)壁上沉積一層聚合物鈍化膜，再將聚合物和硅同時(shí)進(jìn)行刻蝕( 定向刻蝕) 。在這個(gè)循環(huán)中通過(guò)刻蝕和沉積間的平衡控制來(lái)得到精確的各向異性刻蝕效果。鈍化和刻蝕交替過(guò)程中，C4F8與SF6分別做為鈍化氣體和刻蝕氣體。第一步鈍化過(guò)程如反應(yīng)式(1)和式(2)所示。通入C4F8氣體，C4F8在等離子狀態(tài)下分解成離子態(tài)CF+x基，CF-x基與活性F- 基，其中CF+x基和CF-x基與硅表面反應(yīng)，形成nCF2 高分子鈍化膜，鈍化過(guò)程如圖1 所示。第二步刻蝕過(guò)程,如反應(yīng)式(3)-式(5)所示，通入SF6氣體，增加F 離子解離，F(xiàn)-與nCF2反應(yīng)刻蝕掉鈍化膜并生成揮發(fā)性氣體CF2，接著進(jìn)行硅基材的刻蝕，刻蝕過(guò)程如圖2 所示。

2、實(shí)驗(yàn)與討論

　　實(shí)驗(yàn)采用英國(guó)STS公司的STS Multiplex 高密度反應(yīng)離子刻蝕機(jī)，如圖3 所示。系統(tǒng)分別有兩路獨(dú)立的射頻功率源，一路連接到真空反應(yīng)腔室外的電感線圈上用于反應(yīng)氣體的電離。另一路連接到真空反應(yīng)腔室內(nèi)放置樣品的平板底部用于控制離子能量來(lái)進(jìn)行刻蝕。本次實(shí)驗(yàn)中兩路射頻功率源頻率都采用13.56 MHz，樣品為單面拋光N 型<100>晶向4 英寸硅片，厚度為525 um，電阻率為2.3~ 4.5 歐.cm。實(shí)驗(yàn)中所用光刻膠為AZP4620(3000 min) 和LC100A(2000 min) 。

圖1 鈍化過(guò)程原理圖

圖2 刻蝕過(guò)程原理圖

圖3 STS Multiplex ASE ICP 刻蝕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)束語(yǔ)

　　ICP 刻蝕技術(shù)由于其高各向異性刻蝕能力、較高的刻蝕速率、對(duì)不同材料的刻蝕有較高的選擇比、控制精度高等特點(diǎn)，在MEMS 加工工藝中被廣泛應(yīng)用。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)了三組不同形貌刻蝕的工藝參數(shù)。在深硅刻蝕中著重對(duì)刻蝕過(guò)程中的極板功率、SF6 氣體流量和刻蝕周期這些工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，刻蝕得到340 um 深，50 um 寬的理想硅槽。在側(cè)壁光滑陡直刻蝕中，刻蝕周期中通入少量O2 和C4F8 氣體可以提高硅槽側(cè)壁光滑陡直度，刻蝕得到側(cè)壁粗糙度為34.7 nm，垂直度達(dá)89.38°的硅槽。對(duì)于刻蝕高深寬比的硅槽，在刻蝕周期中通入一定比例的O2可以提高側(cè)壁垂直度和光滑度，實(shí)驗(yàn)刻蝕得到了高深寬比大于20：1的理想刻蝕結(jié)果。