劉曉蘭 ，朱政強(qiáng)，黨元蘭，徐亞新

（1. 河北諾亞人力資源開發(fā)有限公司，石家莊 050035；2. 北京航天控制儀器研究所，北京 100096；3. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所，石家莊 050081）

1 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品逐漸向小型化、輕量化、高頻化和多功能方向發(fā)展，采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)器件、真空微電子等器件因具有微型化、智能化、多功能、高集成度等優(yōu)勢(shì)，在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事等領(lǐng)域中有著十分廣闊的應(yīng)用前景。MEMS 器件中大多具有懸浮微結(jié)構(gòu)[1]，懸浮微結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)主要有體硅MEMS加工技術(shù)和表面MEMS加工技術(shù)[2]兩種方式。

體硅MEMS加工技術(shù)主要是利用硅基深槽刻蝕工藝，即首先用濕法腐蝕溶液對(duì)硅襯底材料進(jìn)行腐蝕，得到硅基深槽。然后采用ICP工藝進(jìn)行微結(jié)構(gòu)圖形的制作，從而得到較大縱向尺寸懸浮微結(jié)構(gòu)。表面MEMS加工技術(shù)主要是利用表面犧牲層工藝[3,4]，即在襯底上通過多層膜的淀積和圖形化制備底層結(jié)構(gòu)，之后在底層結(jié)構(gòu)上面覆蓋犧牲層。然后在犧牲層上淀積金屬薄膜，最后通過釋放金屬薄膜下的犧牲層形成懸浮的微結(jié)構(gòu)。

與體硅MEMS加工技術(shù)相比，利用表面工藝得到的懸浮微結(jié)構(gòu)的縱向尺寸較小，且由于表面犧牲層釋放時(shí)容易引起犧牲層材料去除不徹底或懸浮結(jié)構(gòu)與硅基底的粘附效應(yīng)等問題，對(duì)器件的性能產(chǎn)生較大影響。

本文主要針對(duì)體硅MEMS加工技術(shù)，確定了懸浮微結(jié)構(gòu)的加工工藝流程，并對(duì)加工過程中的硅基深槽腐蝕工藝和ICP刻蝕工藝這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及其中的重要因素進(jìn)行了研究。

2 工藝流程

MEMS器件中懸浮微結(jié)構(gòu)的形式較多，常見的是十字梁結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是線寬尺寸小、縱向尺寸大，加工難度大。

圖1 懸浮微結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)體硅MEMS加工技術(shù)的特點(diǎn)，按圖2所示工藝流程進(jìn)行懸浮微結(jié)構(gòu)的加工實(shí)驗(yàn)，主要包括氧化層的生長(zhǎng)、光刻、刻蝕、硅基深槽的腐蝕等9個(gè)工藝步驟。實(shí)驗(yàn)過程中采用的基底為N型<100>硅片。

圖2 懸浮微結(jié)構(gòu)工藝流程圖

3 關(guān)鍵技術(shù)及重要影響因素分析

3.1 硅基深槽濕法腐蝕工藝

懸浮微結(jié)構(gòu)的制作，首先要進(jìn)行硅基深槽的腐蝕，硅槽的深度和粗糙度直接決定了懸浮微結(jié)構(gòu)的厚度和平坦度，因此硅基深槽腐蝕工藝是其中的關(guān)鍵工序，也是難點(diǎn)所在。硅深槽腐蝕過程中由于其深度大、尺寸大，容易導(dǎo)致深槽底部腐蝕不均勻、平整性差和速率太慢的問題。影響硅深槽腐蝕效果的因素主要有腐蝕液種類、濃度、溫度等參數(shù)。

硅基深槽的腐蝕主要利用硅的各向異性腐蝕[4]特性，目前MEMS工藝中各向異性濕法腐蝕液主要有兩類，一類是有機(jī)腐蝕液，主要有EPW（乙二胺、鄰苯二酸和水）、聯(lián)胺等。另一類是堿性腐蝕液，主要有KOH、NaOH、CsOH、NH4OH等。由于EPW和聯(lián)胺有劇毒，不易操作，目前最常用的是KOH溶液。KOH溶液的腐蝕性能好，但腐蝕速率及表面平整性與溶液的濃度和溫度相關(guān)。

為了獲得KOH溶液的最優(yōu)腐蝕條件，我們將制備好掩模圖形的硅片在不同濃度和溫度的KOH溶液中進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)。硅槽深度及粗糙度采用臺(tái)階儀測(cè)試，腐蝕速率通過硅槽深度和腐蝕時(shí)間計(jì)算得到，試驗(yàn)及結(jié)果見表1。

表1 KOH溶液腐蝕的試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，在腐蝕溫度一定的條件下，KOH溶液濃度越高，腐蝕速率越慢、粗糙度越大。在溶液濃度一定的條件下，溫度越高，腐蝕速率越快，相應(yīng)的粗糙度也增大。

在懸浮微結(jié)構(gòu)的制備過程中，硅槽的深度往往大于350 μm，在綜合考慮腐蝕速率和表面平整性的條件下，我們選用濃度為24%的KOH溶液，在90 ℃時(shí)進(jìn)行腐蝕，腐蝕速率可達(dá)1.9 μm/min，硅基深槽底面的粗糙度＜7 nm。硅基深槽腐蝕后的形貌如圖3所示。

圖3 硅基深槽形貌SEM掃描圖

3.2 ICP刻蝕工藝

硅深槽制備完成后，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕[5~6]（ICP）工藝進(jìn)行懸浮微結(jié)構(gòu)的刻蝕，直至將剩余的硅刻透。ICP刻蝕工藝具有對(duì)硅的選擇比高、刻蝕精度高、側(cè)壁垂直度好等優(yōu)點(diǎn)，是保證懸浮結(jié)構(gòu)形貌和精度的關(guān)鍵技術(shù)。

ICP工藝方法是刻蝕、鈍化重復(fù)交替的Bosch工藝，其基本原理[6]為：

第一步為鈍化階段，通入C4F8鈍化氣體，C4F8在等離子狀態(tài)下分解的CFx+基和 CFx

-基與硅表面反應(yīng)形成一層nCF2鈍化膜。

第二步為刻蝕階段，通入SF6刻蝕氣體，其分解的活性F－基離子與nCF2反應(yīng)刻蝕掉鈍化膜并繼續(xù)對(duì)硅基進(jìn)行刻蝕。通過鈍化與刻蝕的循環(huán)控制最終得到各向異性刻蝕效果，整個(gè)Bosch工藝過程如圖4所示。

圖4 ICP-Bosch工藝原理圖

ICP刻蝕工藝的影響因素較多，主要有ICP功率、RF功率、氣體流量及刻蝕鈍化時(shí)間比。ICP功率控制著等離子體的密度，ICP功率越高，反應(yīng)離子體的密度越大、反應(yīng)速率越快。但I(xiàn)CP功率過高，反應(yīng)離子的高濃度使異性刻蝕降低。RF功率控制著離子到達(dá)基板的能量，RF功率越高，離子能量越大，硅的刻蝕速率越快，但對(duì)基板和掩模的轟擊作用也越強(qiáng)烈。C4F8和SF6流量以及刻蝕鈍化時(shí)間比影響著刻蝕槽的側(cè)壁垂直度及底部和側(cè)壁的狀態(tài)。

綜合考慮各因素對(duì)刻蝕效果的影響，實(shí)驗(yàn)中按表2設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行刻蝕實(shí)驗(yàn)。首先在硅片上制備光刻膠掩模，通過光刻形成刻蝕窗口，然后進(jìn)行刻蝕實(shí)驗(yàn)?？涛g去膠后，刻蝕深度和側(cè)壁的垂直度采用SEM掃描測(cè)試，刻蝕速率通過刻蝕深度和刻蝕時(shí)間計(jì)算得到，選擇比通過硅的刻蝕深度和光刻膠的刻蝕深度計(jì)算得到，硅片表面狀態(tài)通過高倍顯微鏡觀測(cè)。

表2 ICP刻蝕工藝參數(shù)

按表2中所示參數(shù)進(jìn)行刻蝕，硅的刻蝕速率約為4 μm/min，選擇比（Si：光刻膠）≥60，側(cè)壁的垂直度88°~90°（如圖5所示），刻蝕后的硅片表面狀態(tài)光亮、平整。

圖5 ICP刻蝕形貌SEM掃描圖

4 試驗(yàn)樣件

根據(jù)以上工藝流程及上述實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的硅基深槽腐蝕參數(shù)和ICP刻蝕工藝參數(shù)，我們采用厚度為400 μm的N型<100>硅片制作了多種結(jié)構(gòu)形式的懸浮微結(jié)構(gòu)的樣件（如圖6所示），并用測(cè)量顯微鏡和臺(tái)階儀對(duì)該結(jié)構(gòu)的外形尺寸、線寬和厚度進(jìn)行了測(cè)試。圖中懸浮微結(jié)構(gòu)的外形尺寸為3 mm×3 mm，線寬尺寸為 100±2 μm，硅槽深度為 390±2 μm。

圖6 懸浮微結(jié)構(gòu)樣件的照片

5 結(jié)束語

MEMS 器件中的懸浮微結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)主要有體硅MEMS加工技術(shù)和表面MEMS加工技術(shù)兩種方式。本文主要根據(jù)體硅MEMS工藝的特點(diǎn)，確定了懸浮微結(jié)構(gòu)的加工工藝流程，并對(duì)工藝流程中的硅基深槽腐蝕工藝和ICP刻蝕工藝兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和重要影響因素進(jìn)行了研究，并得到以下結(jié)論：

（1）硅基深槽腐蝕選用濃度為24%的KOH溶液，腐蝕溫度為90 ℃；

（2）ICP刻蝕根據(jù)ICP-Bosch工藝原理確定了刻蝕功率、氣體流量、鈍化刻蝕時(shí)間比等參數(shù)。

根據(jù)確定的工藝流程和優(yōu)化的工藝參數(shù)，采用厚度為400 μm的N型<100>硅片加工了外形尺寸為3 mm×3 mm、線寬尺寸為100±2 μm、硅槽深度為390±2 μm的懸浮微結(jié)構(gòu)樣件，對(duì)MEMS器件中懸浮微結(jié)構(gòu)的加工具有一定的參考價(jià)值。

[1] M Elwenspoek, H Jansen. 硅微機(jī)械加工技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2] 徐永青，楊擁軍. 硅MEMS器件加工技術(shù)及展望[J]. 微納電子技術(shù)，2010, 47（7）：425-431.

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