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1、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
2、。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。高蚀刻速度高效的DRIE设备要能够实现高蚀刻速度和相关于光刻胶掩膜的高 蚀刻选择比，高密度等离子体能够提高反映气体的离解率，较低的等离子体电势 能够提高蚀刻选择比。关于标准RIE系统，由于其本身D
3、C偏置电压值较高，致 使蚀刻选择比下降，因此不能完全知足上述要求。在高密度等离子体（HDP）源 中，感应耦合等离子（ICP ）是DRIE设备最正确的候选者之一。由于其能够产生 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，与硅反映生成可挥发性的SiF4分子，依照反映公式，气相部份 通过泵系统排出使反映得以继续：Si(s) + 4F(g) - SiF4(g) + AGO关于设定好的等离子体参数，例如：气流、气压和ICP功率，能够 算出当氟与硅发生反映时的气体分压。由于硅
4、蚀刻速度与抵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 高蚀刻速度的前提。图1. MEMS及半导体蚀刻后典型的特点尺寸和蚀刻深度。为了实现各向异性蚀刻，需要在纯氟的反映气体中加入侧壁钝化的组分。Bosch工艺是一个成功的例子：其交替利用SF6和C4F8等离子体完成各向异性 的蚀刻。SF6等离子体能够实现各向同性的蚀刻，而C4F8等离子体能够在所有 表面淀积很薄的聚合物，完成钝化步骤。反映进程中，水平表面的聚合物能够通 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
5、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） + AG0=385 Kcal/mol那个能量（PE）与 位时刻单位表面积所蚀
6、刻掉的硅的量成正比：PE = Si mol/ （TxMmol）xAG0其中Mmol为摩尔质量（28g/mol）, Si mol为蚀刻掉的硅的数量，T代 表时刻，AGO代表化学反映能量。因此，PE直接与蚀刻速度和硅片表面暴露的 表面积成正比。这意味着，要大幅提高蚀刻速度需要高效的硅片卡盘设计，从而 能够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。高良率关于蚀刻设备而言，蚀刻速度是十分重要的参
7、数之一，但不是唯一的。事 实上，高良率能够降低单个芯片的所有权本钱（CoO）。开发了多个解决方案改 善设备性能已取得良率最大化。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. 没有边缘爱惜情形下的硅片边缘剖面图：发生了严峻的硅蚀刻。图 3. 有边缘爱惜情形下的硅片边缘剖面图：未发生硅蚀刻。排除倾斜右边绿中心
8、关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 器件的精准性。目前，已经证明了流体、离子和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、 等离子体磁场限制和气体注射完成等离子体源的开发。将ICP等离子体源与“P 型静电卡盘配合利用，能够使蚀刻角度的操纵精度达到前所未有的高度（图 4）。 事实上，关于常规系统，角度误差大于，而关于上述系统，角度误差那么远低于。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。关于如此的蚀刻 工艺，需要预先淀积很厚的光刻胶或更厚的二氧化硅掩膜。可是，不管厚胶仍是 厚的
9、二氧化硅薄膜都会提高制造本钱且花费更多的时刻。为了降低整体工艺流程 的本钱，开发出专门的硬件设备能够使蚀刻选择比提高 75%，乃至更多，如此 便降低了光刻掩膜步骤的本钱。角度偏差0.4 0.2 0.0左边缘图4. 200mm硅片上所测得的角度误差。结论本文介绍了用于MEMS产品的具有本钱效益的工艺解决方案。DRIE工艺 解决方案能够取得高于50祄/min的蚀刻速度。硅片边缘爱惜技术、蚀刻剖面 角度倾斜的排除和无与伦比的掩膜材料蚀刻选择比（大于 340, 光刻胶/硅）都 实现了商业化，从而极大地提高了良率。新的硬件装置，包括：应用于新工艺模 块的新的 ICP 源设计，与新的集簇反映腔设备配合，实现了高生产效率和高本钱效益的 MEMS 器件生产制造。
