一種深硅刻蝕方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種深硅刻蝕方法，包括如下步驟：（1）在硅片表面制備圖形化的光刻膠掩膜；（2）對硅片進(jìn)行深感應(yīng)耦合等離子體干法刻蝕，包括多個刻蝕階段，每個刻蝕階段均在感應(yīng)耦合等離子體機(jī)內(nèi)，通過鈍化、轟擊和刻蝕三個步驟交替循環(huán)加工完成，隨著刻蝕深度的增加，各刻蝕階段中轟擊步驟的轟擊強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中側(cè)壁垂直度及粗糙度難以控制以及大刻蝕深度難以實(shí)現(xiàn)的問題，在提高刻蝕效率的同時，提高了對光刻膠的選擇比，刻蝕槽側(cè)壁垂直度高，粗糙度小，刻蝕深度大。
【專利說明】一種深硅刻蝕方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于等離子體加工【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種深硅刻蝕方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)被越來越廣泛地應(yīng)用于汽車和消費(fèi)電子等領(lǐng)域，以微電子工藝為基礎(chǔ)的MEMS技術(shù)發(fā)展尤為迅速。高深寬比硅刻蝕技術(shù)引入微電子工藝后，一系列新型傳感器和執(zhí)行器結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)。與表面加工工藝相比，深硅刻蝕工藝得到的體硅結(jié)構(gòu)可活動的敏感質(zhì)量更大，檢測電容量更大，器件分辨率和靈敏度等性能指標(biāo)更高。盡管如此，作為體硅MEMS器件加工中的關(guān)鍵步驟，現(xiàn)有的深硅刻蝕工藝側(cè)壁垂直度及粗糙度難以控制，且刻蝕速率隨刻蝕深度的增加而下降，使得深度達(dá)到幾百微米的硅深刻蝕難以實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種深硅刻蝕方法，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中側(cè)壁垂直度及粗糙度難以控制以及大刻蝕深度難以實(shí)現(xiàn)的問題，在提高刻蝕效率的同時，提高了對光刻膠的選擇比，刻蝕槽側(cè)壁垂直度高，粗糙度小，刻蝕深度大。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種深硅刻蝕方法，其特征在于，包括如下步驟:(I)在硅片表面制備圖形化的光刻膠掩膜；(2)對硅片進(jìn)行深感應(yīng)耦合等離子體干法刻蝕，包括多個刻蝕階段，每個刻蝕階段均在感應(yīng)耦合等離子體機(jī)內(nèi)，通過鈍化、轟擊和刻蝕三個步驟交替循環(huán)加工完成，隨著刻蝕深度的增加，各刻蝕階段中轟擊步驟的轟擊強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。
[0005]優(yōu)選地，所述步驟(2)包括第一刻蝕階段和第二刻蝕階段；
[0006]第一刻蝕階段的刻蝕深度為120?180 μ m，其中，鈍化步驟:離子源功率1500?2000W,下電極功率0W，腔體氣壓50?90mtorr，C4F8流量150?250sccm，SF6流量O?20sccm,時間0.375?0.40s ;轟擊步驟:離子源功率2000?3000W，下電極功率50?75W，腔體氣壓15?30mTorr，C4F8流量O?20sccm，SF6流量100?250sccm，刻蝕時間0.6?0.85s ;刻蝕步驟:離子源功率3000?4000W，下電極功率0W，腔體氣壓80?140mTorr，C4F8流量O?20sccm，SF6流量700?1200sccm，刻蝕時間I?1.5s ;
[0007]第二刻蝕階段的刻蝕深度為100?150 μ m，其中，鈍化步驟:離子源功率1500?2000W,下電極功率0W，腔體氣壓50?90mTorr，C4F8流量150?250sccm，SF6流量O?20sccm，刻蝕時間0.4?0.5s ;轟擊步驟:離子源功率2000?3000W，下電極功率100W，腔體氣壓15?30mTorr, C4F8流量O?20sccm, SF6流量100?250sccm,刻蝕時間0.65?0.9s ;刻蝕步驟:離子源功率3000?4000W，下電極功率0W，腔體氣壓80?140mTorr，C4F8流量O?20sccm, SF6流量700?1200sccm，刻蝕時間I?1.5s。
[0008]優(yōu)選地，所述步驟(2)還包括第三刻蝕階段；
[0009]第三刻蝕階段的刻蝕深度為90?IlOym,其中，鈍化步驟:離子源功率1500?2000W,下電極功率0W，腔體氣壓50?90mTorr，C4F8流量150?250sccm，SF6流量O?20sccm，刻蝕時間0.4?0.5s ;轟擊步驟:離子源功率2000?3000W，下電極功率150W，腔體氣壓 15 ?30mTorr, C4F8 流量 O ?20sccm, SF6 流量 100 ?250sccm,刻蝕時間 0.65 ?Is ;刻蝕步驟:離子源功率3000?4000W，下電極功率0W，腔體氣壓80?140mTorr，C4F8流量O ?20sccm, SF6 流量 700 ?1200sccm，刻蝕時間 I ?1.5s。
[0010]優(yōu)選地，所述步驟(2)還包括第四刻蝕階段；
[0011]第四刻蝕階段的刻蝕深度為40?60 μ m，其中，鈍化步驟:離子源功率1500?2000W,下電極功率0W，腔體氣壓50?90mTorr，C4F8流量150?250sccm，SF6流量O?20sccm，刻蝕時間0.4?0.5s ;轟擊步驟:離子源功率2000?3000W，下電極功率150?200W,腔體氣壓15?30mTorr，C4F8流量O?20sccm，SF6流量100?250sccm，刻蝕時間0.8?Is ;刻蝕步驟:離子源功率3000?4000W，下電極功率0W，腔體氣壓80?140mTorr，C4F8流量O?20sccm, SF6流量700?1200sccm，刻蝕時間I?1.5s。
[0012]優(yōu)選地，每個刻蝕階段中，單個鈍化、轟擊和刻蝕循環(huán)的時間不大于3s。
[0013]優(yōu)選地，所述步驟(I)中，光刻膠掩膜的厚度為5?8μπι。
[0014]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0015]1、將傳統(tǒng)Bosch工藝的刻蝕、鈍化兩步循環(huán)分解為鈍化、轟擊和刻蝕三步循環(huán)，在高離子濃度的刻蝕步驟偏壓為0，在較低離子濃度的轟擊步驟施加偏壓去除鈍化層，實(shí)現(xiàn)對鈍化層的物理轟擊和對硅的化學(xué)腐蝕的分離，減小光刻膠所受的物理轟擊，在提高刻蝕效率的同時，提高了對光刻膠的選擇比，使光刻膠的選擇比大于1:100。
[0016]2、包括多個刻蝕階段，不同深度的刻蝕采用不同的加工工藝參數(shù)，隨著刻蝕深度的增加，增大轟擊強(qiáng)度，以平衡鈍化過程隨深度增加的增強(qiáng)，有效解決了工藝環(huán)境隨刻蝕深度改變會對刻蝕側(cè)壁垂直度帶來不利影響的問題，提高了刻蝕深度及刻蝕槽側(cè)壁的垂直度，刻蝕深度至少可達(dá)200 μ m，刻蝕深寬比為5?10:1，刻蝕槽側(cè)壁的垂直度為90?！?.1。。
[0017]3、通過鈍化層沉積、離子轟擊鈍化層和刻蝕三個步驟的快速切換，使得每個bosch循環(huán)的刻蝕時間、刻蝕深度減小，bosch循環(huán)在刻蝕槽側(cè)壁的鋸齒形形貌(圖1.c所示)減小，從而減小了刻蝕槽側(cè)壁的粗糙度，側(cè)壁RMS粗糙度小于500nm。
[0018]4、采用高離子源功率和大刻蝕氣體流量，提高了刻蝕速率，平均刻蝕速率高于10 μ m/min。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的單個鈍化-轟擊-刻蝕循環(huán)的工藝流程示意圖，其中，(a)鈍化；(b)離子轟擊；(C)刻蝕；
[0020]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1得到的刻蝕槽的SEM圖。
[0021]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:1_硅片，2-光刻膠掩膜，3-鈍化層。
【具體實(shí)施方式】
[0022]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0023]本發(fā)明實(shí)施例的深硅刻蝕方法，包括如下步驟:
[0024](I)在娃片表面制備圖形化的光刻膠掩膜，其厚度隨刻蝕厚度可選5?8μηι。
[0025](2)對硅片進(jìn)行深感應(yīng)耦合等離子體干法刻蝕。
[0026]包括多個刻蝕階段，每個刻蝕階段均在感應(yīng)耦合等離子刻蝕機(jī)內(nèi)，通過鈍化、轟擊和刻蝕三個步驟交替循環(huán)加工完成，隨著刻蝕深度的增加，各刻蝕階段中轟擊步驟的轟擊強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，即當(dāng)前刻蝕階段轟擊步驟的轟擊強(qiáng)度始終高于前一刻蝕階段轟擊步驟的轟擊強(qiáng)度。
[0027]隨著刻蝕深度的增加，散熱更加容易，因而反應(yīng)溫度相應(yīng)降低，由于鈍化層在低溫下更容易沉積，因而相同工藝條件下鈍化效果得到增強(qiáng)。同時，刻蝕槽深度的增大也使得反應(yīng)粒子進(jìn)入槽底部進(jìn)行反應(yīng)的難度增大，導(dǎo)致轟擊和刻蝕效果有所減弱。因此，如果使用相同的刻蝕參數(shù)，隨著刻蝕深度的增加，刻蝕槽寬會越來越小，直至刻蝕深度不再隨工藝時間的延長增加。本發(fā)明采用分階段刻蝕工藝，隨著刻蝕深度的增加適當(dāng)增大轟擊強(qiáng)度來平衡鈍化，能有效提高刻蝕深度和刻蝕槽側(cè)壁的垂直度。下電極功率越高，轟擊強(qiáng)度越大；轟擊步驟的工藝時間越長，轟擊強(qiáng)度越大。
[0028]每個刻蝕階段中，單個鈍化、轟擊和刻蝕循環(huán)的時間不大于3s，通過鈍化、轟擊和刻蝕三個步驟的快速切換，減小刻蝕槽側(cè)壁的粗糙度。
[0029]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明的深硅刻蝕方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0030]以下實(shí)施例的刻蝕階段均采用英國Oxford公司生產(chǎn)的PlasmaProICP感應(yīng)I禹合等尚子體娃刻蝕系統(tǒng)完成。
[0031]實(shí)施例1
[0032]深硅刻蝕方法包括如下步驟:
[0033](I)在500 μ m厚的硅片表面制備8 μ m厚的圖形化光刻膠掩膜。
[0034](2)對硅片進(jìn)行深感應(yīng)耦合等離子體干法刻蝕，包括四個刻蝕階段。
[0035](2-1)第一刻蝕階段:采用鈍化、轟擊和刻蝕三個步驟交替循環(huán)加工400次，刻蝕深度為180μπι。單個循環(huán)的工藝流程示意圖如圖1所示。
[0036]其中，鈍化步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率2000W，下電極功率0W，腔體氣壓90mtorr, C4F8 流量 250sccm, SF6 流量 20sccm,時間 0.40s。
[0037]轟擊步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率3000W，下電極功率75W，腔體氣壓30mTorr，C4F8 流量 20sccm, SF6 流量 250sccm,刻蝕時間 0.85s。
[0038]刻蝕步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率4000W，下電極功率0W，腔體氣壓140mTorr，C4F8 流量 20sccm, SF6 流量 1200sccm,刻蝕時間 1.5s。
[0039](2-2)第二刻蝕階段:采用鈍化、轟擊和刻蝕三個步驟交替循環(huán)加工400次，刻蝕深度為150 μ m。
[0040]其中，鈍化步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率2000W，下電極功率0W，腔體氣壓90mTorr, C4F8 流量 250sccm, SF6 流量 20sccm,刻蝕時間 0.5s。[0041]轟擊步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率3000W，下電極功率100W，腔體氣壓30mTorr，C4F8 流量 20sccm, SF6 流量 250sccm,刻蝕時間 0.9s。
[0042]刻蝕步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率4000W，下電極功率0W，腔體氣壓140mTorr，C4F8 流量 20sccm, SF6 流量 1200sccm,刻蝕時間 1.5s。
[0043](2-3)第三刻蝕階段:采用鈍化、轟擊和刻蝕三個步驟交替循環(huán)加工400次，刻蝕深度為110 μ m。
[0044]其中，鈍化步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率2000W，下電極功率0W，腔體氣壓90mTorr, C4F8 流量 250sccm, SF6 流量 20sccm,刻蝕時間 0.5s。
[0045]轟擊步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率3000W，下電極功率150W，腔體氣壓30mTorr，C4F8 流量 20sccm, SF6 流量 250sccm,刻蝕時間 Is。
[0046]刻蝕步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率4000W，下電極功率0W，腔體氣壓140mTorr，C4F8 流量 20sccm, SF6 流量 1200sccm,刻蝕時間 1.5s。
[0047](2-4)第四刻蝕階段:采用鈍化、轟擊和刻蝕三個步驟交替循環(huán)加工400次，刻蝕深度為60 μ m。
[0048]其中，鈍化步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率2000W，下電極功率0W，腔體氣壓90mTorr, C4F8 流量 250sccm, SF6 流量 20sccm,刻蝕時間 0.5s。
[0049]轟擊步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率3000W，下電極功率200W，腔體氣壓30mTorr，C4F8 流量 20sccm, SF6 流量 250sccm,刻蝕時間 Is。
[0050]刻蝕步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率4000W，下電極功率0W，腔體氣壓140mTorr，C4F8 流量 20sccm, SF6 流量 1200sccm,刻蝕時間 1.5s。
[0051 ] 對得到的刻蝕槽進(jìn)行SEM測試，結(jié)果如圖2所示，刻蝕槽深度達(dá)499.2 μ m,深寬比為5:1，槽側(cè)壁的垂直度為90.1°，側(cè)壁的最大均方根(Root Mean Square，RMS)粗糙度為500nmo
[0052]實(shí)施例2
[0053]深硅刻蝕方法包括如下步驟:
[0054](I)在350 μ m厚的娃片表面制備5 μ m厚的圖形化光刻膠掩膜。
[0055](2)對硅片進(jìn)行深感應(yīng)耦合等離子體干法刻蝕，包括四個刻蝕階段。
[0056](2-1)第一刻蝕階段:采用鈍化、轟擊和刻蝕三個步驟交替循環(huán)加工400次，刻蝕深度為120 μ m。
[0057]其中，鈍化步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率1500W，下電極功率0W，腔體氣壓50mTorr, C4F8 流量 150sccm, SF6 流量 Osccm,刻蝕時間 0.375s。
[0058]轟擊步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率2000W，下電極功率50W，腔體氣壓15mTorr，C4F8 流量 Osccm, SF6 流量 IOOsccm,刻蝕時間 0.6s。
[0059]刻蝕步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率3000W，下電極功率0W，腔體氣壓80mTorr，C4F8流量Osccm, SF6流量700sccm,刻蝕時間Is。
[0060](2-2)第二刻蝕階段:采用鈍化、轟擊和刻蝕三個步驟交替循環(huán)加工400次，刻蝕深度為100 μ m。
[0061]其中，鈍化步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率1500W，下電極功率0W，腔體氣壓50mTorr, C4F8 流量 150sccm, SF6 流量 Osccm,刻蝕時間 0.4s。[0062]轟擊步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率2000W，下電極功率100W，腔體氣壓15mTorr，C4F8 流量 Osccm, SF6 流量 IOOsccm,刻蝕時間 0.65s。
[0063]刻蝕步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率3000W，下電極功率0W，腔體氣壓80mTorr，C4F8流量Osccm, SF6流量700sccm,刻蝕時間Is。
[0064](2-3)第三刻蝕階段:采用鈍化、轟擊和刻蝕三個步驟交替循環(huán)加工400次，刻蝕深度為90 μ m。
[0065]其中，鈍化步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率1500W，下電極功率0W，腔體氣壓50mTorr, C4F8 流量 150sccm, SF6 流量 Osccm,刻蝕時間 0.4s。
[0066]轟擊步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率2000W，下電極功率150W，腔體氣壓15mTorr，C4F8 流量 Osccm, SF6 流量 IOOsccm,刻蝕時間 0.65s。
[0067]刻蝕步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率3000W，下電極功率0W，腔體氣壓80mTorr，C4F8流量Osccm, SF6流量700sccm,刻蝕時間Is。
[0068](2-4)第四刻蝕階段:采用鈍化、轟擊和刻蝕三個步驟交替循環(huán)加工400次，刻蝕深度為40 μ m。
[0069]其中，鈍化步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率1500W，下電極功率0W，腔體氣壓50mTorr, C4F8 流量 150sccm, SF6 流量 Osccm,刻蝕時間 0.4s。
[0070]轟擊步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率2000W，下電極功率150W，腔體氣壓15mTorr，C4F8 流量 Osccm, SF6 流量 IOOsccm,刻蝕時間 0.8s。
[0071]刻蝕步驟的工藝參數(shù)為:離子源功率3000W，下電極功率0W，腔體氣壓80mTorr，C4F8流量Osccm, SF6流量700sccm,刻蝕時間Is。
[0072]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種深硅刻蝕方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)在娃片表面制備圖形化的光刻膠掩膜； (2)對硅片進(jìn)行深感應(yīng)耦合等離子體干法刻蝕，包括多個刻蝕階段，每個刻蝕階段均在感應(yīng)耦合等離子體機(jī)內(nèi)，通過鈍化、轟擊和刻蝕三個步驟交替循環(huán)加工完成，隨著刻蝕深度的增加，各刻蝕階段中轟擊步驟的轟擊強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。
2.如權(quán)利要求1所述的深硅刻蝕方法，其特征在于，所述步驟(2)包括第一刻蝕階段和第二刻蝕階段； 第一刻蝕階段的刻蝕深度為120?180μπι，其中，鈍化步驟:離子源功率1500?2000W,下電極功率0W，腔體氣壓50?90mtorr，C4F8流量150?250sccm，SF6流量O?20sccm,時間0.375?0.40s ;轟擊步驟:離子源功率2000?3000W，下電極功率50?75W，腔體氣壓15?30mTorr，C4F8流量O?20sccm，SF6流量100?250sccm，刻蝕時間0.6?0.85s ;刻蝕步驟:離子源功率3000?4000W，下電極功率0W，腔體氣壓80?140mTorr，C4F8流量O?20sccm，SF6流量700?1200sccm，刻蝕時間I?1.5s ; 第二刻蝕階段的刻蝕深度為100?150 μ m，其中，鈍化步驟:離子源功率1500?2000W,下電極功率0W，腔體氣壓50?90mTorr，C4F8流量150?250sccm，SF6流量O?20sccm，刻蝕時間0.4?0.5s ;轟擊步驟:離子源功率2000?3000W，下電極功率100W，腔體氣壓15?30mTorr, C4F8流量O?20sccm, SF6流量100?250sccm,刻蝕時間0.65?0.9s ;刻蝕步驟:離子源功率3000?4000W，下電極功率0W，腔體氣壓80?140mTorr，C4F8流量O?20sccm, SF6流量700?1200sccm，刻蝕時間I?1.5s。
3.如權(quán)利要求2所述的深硅刻蝕方法，其特征在于，所述步驟(2)還包括第三刻蝕階段； 第三刻蝕階段的刻蝕深度為90?110 μ m，其中，鈍化步驟:離子源功率1500?2000W，下電極功率0W，腔體氣壓50?90mTorr，C4F8流量150?250sccm，SF6流量O?20sccm，刻蝕時間0.4?0.5s ;轟擊步驟:離子源功率2000?3000W，下電極功率150W，腔體氣壓15?30mTorr, C4F8流量O?20sccm, SF6流量100?250sccm，刻蝕時間0.65?Is ;刻蝕步驟:離子源功率3000?4000W，下電極功率0W，腔體氣壓80?140mTorr，C4F8流量O?20sccm，SF6流量700?1200sccm，刻蝕時間I?1.5s。
4.如權(quán)利要求3所述的深硅刻蝕方法，其特征在于，所述步驟(2)還包括第四刻蝕階段； 第四刻蝕階段的刻蝕深度為40?60 μ m，其中，鈍化步驟:離子源功率1500?2000W，下電極功率0W，腔體氣壓50?90mTorr，C4F8流量150?250sccm，SF6流量O?20sccm，刻蝕時間0.4?0.5s ;轟擊步驟:離子源功率2000?3000W，下電極功率150?200W，腔體氣壓15?30mTorr, C4F8流量O?20sccm, SF6流量100?250sccm,刻蝕時間0.8?Is ;刻蝕步驟:離子源功率3000?4000W，下電極功率0W，腔體氣壓80?140mTorr，C4F8流量O?20sccm, SF6 流量 700 ?1200sccm，刻蝕時間 I ?1.5s。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的深硅刻蝕方法，其特征在于，每個刻蝕階段中，單個鈍化、轟擊和刻蝕循環(huán)的時間不大于3s。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的深硅刻蝕方法，其特征在于，所述步驟(I)中，光刻膠掩膜的厚度為5?8μπι。
【文檔編號】B81C1/00GK103950887SQ201410140457
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月9日
【發(fā)明者】涂良成, 伍文杰, 范繼, 劉金全, 羅俊 申請人:華中科技大學(xué)