感應耦合等離子體(ICP) 刻蝕技術是微機電系統器件加工中的關鍵技術之一。利用英國STS 公司STS Multiplex 刻蝕機，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對刻蝕形貌的影響，分析了刻蝕速率和側壁垂直度的影響原因，給出了深硅刻蝕、側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。

　　感應耦合等離子體(Induct ively Coupled Plasma,ICP) 刻蝕技術作為微機電系統(MEMS) 體微機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)點常用于刻蝕高深寬比結構，在MEMS 工業(yè)中獲得越來越多的應用。

　　在MEMS 器件加工過程中，含氟等離子體刻蝕硅表面過程中包含大量復雜的物理和化學反應。目前，由于對ICP 刻蝕的物理及化學機制還沒能完全解釋清楚，在利用ICP 加工時，往往需要做大量的工作來優(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，氣體流量等參數對刻蝕形貌的影響，通過實驗給出了深硅刻蝕、側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。

1、ICP刻蝕基本原理

　　ICP刻蝕采用側壁鈍化技術，沉積與刻蝕交替進行，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：首先在側壁上沉積一層聚合物鈍化膜，再將聚合物和硅同時進行刻蝕( 定向刻蝕) 。在這個循環(huán)中通過刻蝕和沉積間的平衡控制來得到精確的各向異性刻蝕效果。鈍化和刻蝕交替過程中，C4F8與SF6分別做為鈍化氣體和刻蝕氣體。第一步鈍化過程如反應式(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，形成nCF2 高分子鈍化膜，鈍化過程如圖1 所示。第二步刻蝕過程,如反應式(3)-式(5)所示，通入SF6氣體，增加F 離子解離，F-與nCF2反應刻蝕掉鈍化膜并生成揮發(fā)性氣體CF2，接著進行硅基材的刻蝕，刻蝕過程如圖2 所示。

2、實驗與討論

　　實驗采用英國STS公司的STS Multiplex 高密度反應離子刻蝕機，如圖3 所示。系統分別有兩路獨立的射頻功率源，一路連接到真空反應腔室外的電感線圈上用于反應氣體的電離。另一路連接到真空反應腔室內放置樣品的平板底部用于控制離子能量來進行刻蝕。本次實驗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。實驗中所用光刻膠為AZP4620(3000 min) 和LC100A(2000 min) 。

圖1 鈍化過程原理圖

圖2 刻蝕過程原理圖

圖3 STS Multiplex ASE ICP 刻蝕系統結構示意圖

結束語

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