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深硅刻蚀工艺原理及加工平台现有工艺能力介绍

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发表于 2014-2-27 14:41:44 | 显示全部楼层 |阅读模式
    一、深硅刻蚀工艺(BOSCH工艺)原理介绍
目前,在Si片上形成具有垂直侧壁的高深宽比沟槽结构是制备先进MEMS器件的关键工艺,其各向异性刻蚀要求非常严格。高深宽比的干法刻蚀技术以其刻蚀速率快、各向异性较强、污染少等优点脱颖而出,成为MEMS器件加工的关键技术之一。BOSCH工艺,又名TMDE(Time Multiplexed Deep Etching)工艺,是Robert Bosch公司的一项专利技术。它描述了一个刻蚀—钝化—刻蚀的循环过程,以达到对硅材料进行高深宽比、各向异性刻蚀的目的。
BOSCH工艺的原理是在反应腔室中轮流通入钝化气体C4F8与刻蚀气体SF6与样品进行反应,工艺的整个过程是淀积钝化层步骤与刻蚀步骤的反复交替。其中保护气体C4F8在高密度等离子体的作用下分解生成碳氟聚合物保护层,沉积在已经做好图形的样品表面。图1为BOSCH工艺中的钝化步骤。
图片1.png
图1 BOSCH工艺中BOSCH工艺中的钝化过程
刻蚀过程则是通过刻蚀气体SF6在等离子体的作用下分解,提供刻蚀所需的中性氟基团与加速离子,实现硅以及聚合物的各项异性刻蚀。图2为BOSCH工艺中的刻蚀步骤。
图片2.png
图2 BOSCH工艺中的刻蚀过程
刻蚀过程中,被刻蚀部分的聚合物保护层会完全除掉。除掉底部保护层后,对保护层下的硅材料进行刻蚀,而侧壁的保护层由于离子刻蚀的方向性,刻蚀速度低而不会被去除。随后重复钝化步骤,导致刻蚀持续在垂直方向进行。图3为BOSCH工艺N个循环完成之后样品状态,其侧壁之外裸露的钝化层已经被全部去除。
图片3.png
图3 BOSCH工艺多个循环完成后的结果
二、平台现有工艺成果展示
    纳米加工平台拥有的STS-HRM 深硅刻蚀设备可以对6寸及6寸以下样品(兼容小片)进行不同形貌(刻蚀侧壁角度可调整)与不同深度(纳米尺度——500μm)的硅刻蚀工艺。
目前本平台利用该设备已经开发出一系列面向不同需求的BOSCH工艺,包括针对纳米级图形阵列刻蚀纳米级深度以及针对2-10 μm级梳齿的高深宽比刻蚀。
纳米级图形阵列BOSCH工艺使用极低的反应气体流量使得在纳米尺度结构中,刻蚀与钝化趋近于平衡从而得到极低的刻蚀速率(约为100-200nm/min)。掩膜方面可以选用电子束光刻胶或SiO2等材料。对于电子束光刻胶的选择比约为3:1,对于SiO2材料则有更高的选择比(5:1)。适用于纳米结构阵列的工艺,在刻蚀微米级别图形时会表现为钝化超过刻蚀,因而不适用于刻蚀微米级图形。图4即为刻蚀纳米级图形阵列的SEM图片。
图片4.png
4 纳米级阵列BOSCH工艺刻蚀结果         
    对于2μm -10μm的梳齿结构的BOSCH工艺,由于BOSCH工艺特点所限,随着刻蚀深宽比的增加,反应离子团进入到沟槽底部愈发困难,导致microloading效应出现。进行刻蚀时,不同尺寸的图形将有着不同的刻蚀速率与不同的刻蚀形貌。对于梳齿结构,使用较慢的刻蚀速率(2.5-3μm /min)有助于保持其形貌。另外,需要针对所关注结构的尺寸对工艺进行微调来保证刻蚀形貌。对于微米级梳齿结构的刻蚀可选用光刻胶或SiO2作为掩膜。光刻胶与硅的选择比可以达到1:50,SiO2与硅材料的选择比可以达到1:100。图5为微米级梳齿结构的刻蚀效果SEM图片。
图片5.jpg
图5微米级梳齿高深宽比BOSCH工艺刻蚀结果
由于BOSCH工艺以重复多次各项异性刻蚀结果来达到对硅材料进行高深宽比刻蚀的目的,因此会在硅片侧壁上留下每次刻蚀的痕迹。这些痕迹对于MEMS体硅工艺来说并没有太大影响,但是对于某些制造光波导器件的客户来说其影响是致命的。在平台用户的要求与建议下,我们也利用STS-HRM设备进行了非BOSCH工艺开发,对硅材料进行了侧壁陡直度接近90度,刻蚀侧壁光滑的刻蚀,满足了客户要求。图6为BOSCH工艺刻蚀后残留于侧壁的各项同性反应痕迹。
图片6.jpg
图6 BOSCH工艺刻蚀结果中特有的侧壁痕迹(图中标识152.94nm处)
    非BOSCH工艺将反应气体同时通入反应腔室,进行反应。刻蚀速率在400-500nm/min,通过调整气体组分可以做到不同的刻蚀形貌与不同的刻蚀速率。非BOSCH工艺在刻蚀后形成的侧壁较光滑。非BOSCH工艺可以使用光刻胶作为掩膜,光刻胶与硅材料的刻蚀选择比约为1:5。图7为非BOSCH工艺刻蚀的侧壁SEM图片。
图片7.jpg
图7   非BOSCH工艺刻蚀结果

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发表于 2014-3-3 17:38:29 | 显示全部楼层
资料不错,贵平台的设备也不错
发表于 2014-3-5 10:18:32 | 显示全部楼层
问一下,你们那的深硅刻蚀设备,最深能刻到多少微米?
发表于 2014-3-7 10:29:15 | 显示全部楼层
平台的深硅刻蚀不用BOSCH工艺的话陡直度能达到多少?
发表于 2014-3-27 14:46:52 | 显示全部楼层
问了都没人回答的,可以沉了
发表于 2014-4-4 14:48:17 | 显示全部楼层
学习了,多多分享,有知道的回答一下啊
 楼主| 发表于 2014-4-10 17:59:32 | 显示全部楼层
Dreams_link 发表于 2014-3-5 10:18
问一下,你们那的深硅刻蚀设备,最深能刻到多少微米?

最深的刻过1.5mm的
 楼主| 发表于 2014-4-10 17:59:53 | 显示全部楼层
wgfwgfq1 发表于 2014-3-7 10:29
平台的深硅刻蚀不用BOSCH工艺的话陡直度能达到多少?

88°以上~
发表于 2016-4-20 16:30:09 | 显示全部楼层

是各向异性刻蚀吗?侧蚀有多少?
[发帖际遇]: kongchau 发帖时在路边捡到 1 微纳币,偷偷放进了口袋. 幸运榜 / 衰神榜
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