MEMS深硅刻蚀工艺研究报告.docx

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MEMS深硅刻蚀工艺研究报告

MEMS深硅刻蚀工艺

研究报告

学院：

机械与材料工程学院

班级：

机械14-5

姓名：

学号：

指导教师：

1、背景.............................................................................................3

2、ICP干法刻蚀原理...................................................................6

3、ICP刻蚀硅实验........................................................................8

3.1、光刻工艺

3.2、ICP刻蚀硅工艺

背景

一、什么是MEMS

微机电系统（MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem），也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。

主要由传感器、动作器（执行器）和微能源三大部分组成。

MEMS是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。

微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。

MEMS是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术。

二、MEMS用途

MEMS侧重于超精密机械加工，涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。

它的学科面涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理、化学、机械学的各分支。

MEMS是一个独立的智能系统，可大批量生产，其系统尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。

常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。

三、刻蚀工艺用途

刻蚀技术（etchingtechnique），是在半导体工艺，按照掩模图形或设计要求对半导体衬底表面或表面覆盖薄膜进行选择性腐蚀或剥离的技术。

刻蚀技术不仅是半导体器件和集成电路的基本制造工艺，而且还应用于薄膜电路、印刷电路和其他微细图形的加工。

刻蚀工艺不仅是半导体器件和集成电路的基本制造工艺，而且还应用于薄膜电路、印刷电路和其他微细图形的加工。

四、刻蚀工艺分类

刻蚀还可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。

刻蚀的机制，按发生顺序可概分为「反应物接近表面」、「表面氧化」、「表面反应」、「生成物离开表面」等过程。

所以整个刻蚀，包含反应物接近、生成物离开的扩散效应，以及化学反应两部份。

整个刻蚀的时间，等于是扩散与化学反应两部份所费时间的总和。

二者之中孰者费时较长，整个刻蚀之快慢也卡在该者，故有所谓「reactionlimited」与「diffusionlimited」两类刻蚀之分。

1、湿法刻蚀

最普遍、也是设备成本最低的刻蚀方法。

其影响被刻蚀物之刻蚀速率（etchingrate）的因素有三：

刻蚀液浓度、刻蚀液温度、及搅拌（stirring）之有无。

湿法刻蚀还分为等向性刻蚀和非等向性刻蚀。

由于实际实验中为干法刻蚀，在此就不再过多介绍。

2、干法刻蚀

干法刻蚀是一类较新型，但迅速为半导体工业所采用的技术。

其利用电浆（plasma）来进行半导体薄膜材料的刻蚀加工。

其中电浆必须在真空度约10至0.001Torr的环境下，才有可能被激发出来；而干刻蚀采用的气体，或轰击质量颇巨，或化学活性极高，均能达成刻蚀的目的。

干法刻蚀基本上包括「离子轰击」（ion-bombardment）与「化学反应」（chemicalreaction）两部份刻蚀机制。

偏「离子轰击」效应者使用氩气（argon），加工出来之边缘侧向侵蚀现象极微。

而偏「化学反应」效应者则采氟系或氯系气体（如四氟化碳CF4），经激发出来的电浆，即带有氟或氯之离子团，可快速与芯片表面材质反应。

干法刻蚀法可直接利用光阻作刻蚀之阻绝遮幕，不必另行成长阻绝遮幕之半导体材料。

而其最重要的优点，能兼顾边缘侧向侵蚀现象极微与高刻蚀率两种优点，换言之，本技术中所谓「活性离子刻蚀」（reactiveionetch；RIE）已足敷「次微米」线宽制程技术的要求，而正被大量使用中。

ICP干法刻蚀原理

一、简介

ICP，全称为InductivelyCouplePlasma，感应耦合等离子体刻蚀。

ICP刻蚀过程中存在十分复杂的化学过程和物理过程，两者相互作用，共同达到刻蚀的目的。

其中化学过程主要包括两部分：

其一是刻蚀气体通过电感耦合的方式辉光放电，产生活性游离基、亚稳态粒子、原子等以及他们之间的化学相互作用；其二是这些活性粒子与基片固体表面的相互作用。

主要的物理过程是离子对基片表面的轰击。

这里的物理轰击作用不等同于溅射刻蚀中的纯物理过程，他对化学反应具有明显的辅助作用，它可以起到打断化学键、引起晶格损伤、增加附着性、加速反应物的脱附、促进基片表面的化学反应以及去除基片表面的非挥发性残留物等重要作用。

对于刻蚀过程中的三个阶段：

1、刻蚀物质的吸附；2、挥发性产物的形成；3、产物的脱附，离子的轰击都有重要影响。

在不同情况下（不同的刻蚀气体及流量、工作压强、离子能量等），离子轰击对刻蚀的化学过程的加速机理可能有所不同。

二、原理

人们认为离子轰击的机理主要有以下三种：

一是化学增强物理溅射。

例如，含氟的等离子体在硅表面形成的SiFx基与元素Si相比，其键合能比较低，因而在粒子轰击时具有较高的溅射几率，所以刻蚀的加速是化学反应使得物理溅射作用增强的结果；二是损伤诱导化学反应。

离子轰击产生的晶格损伤使基片表面与气体物质的反应速率增大；三是化学溅射。

活性离子轰击引起一种化学反应，使其先形成弱束缚的分子，然后从表面脱附。

当利用ICP刻蚀技术，并以碳氟聚合物气体（例如CF4）作为主要刻蚀气体刻蚀硅时，在稳定的刻蚀状态下硅表面会形成比较厚的聚合物薄层，绝大部分离子不能直接轰击到硅的表面上。

在这种情况下，离子轰击主要有两方面的作用：

一是促进F离子在聚合物中的扩散，加快F离子和聚合物的反应速度；二是是聚合物薄层表面的聚合物分子断裂和脱离。

以上两种作用都可以使得硅表面的聚合物减薄，促进刻蚀速率的增加。

对于不同的刻蚀材料，需要掩制膜以保证不需要刻蚀的地方被保护起来，同时刻蚀需要采用不同的气体，对于硅的刻蚀而言，一般以SF6作为刻蚀气体。

ICP刻蚀硅实验

3.1、光刻工艺

一、设备

SC-1B型匀胶台、BP-2B型烘胶台、HWK-100型光刻机

二、流程

1、涂胶

使用匀胶机，通过高速旋转的离心作用，将光刻胶均匀涂抹在硅片上

转速：

3000rpm

时长：

30s

光刻胶型号：

AZ4620

2、前烘

使用烘干机，将光刻胶适当烘干

温度：

120°C

时长：

90s

3、曝光

使用带有汞灯，可发射紫外线的光刻机，将掩膜版覆盖在涂好光刻胶的硅片上，用波长为365nm左右的紫外线照射，掩膜版中的铬可以阻挡紫外线，使得暴露在紫外线中的光刻胶增加其在NAOH溶液中的溶解度，从而在下一步显影步骤中洗出图形

时长：

600s

4、显影

使用NaOH溶液，通过光刻胶的溶解度的不同，来洗出上一步中照射出的图形

时长：

90s

NaOH浓度：

5‰

5、检查

在显微镜下检查显影效果，若图形清晰且无大瑕疵，即可进入下一步，否则继续显影直到图形清晰

6、后哄

使用烘干机，再次对显影后的光刻胶烘干

温度：

120°C

时长：

60s

3.2、ICP刻蚀硅工艺

一、设备

ICP-500型全自动感应耦合等离子体刻蚀机

二、流程参数

气体

上电极功率

下电极功率

工作压强

SF6

400W

20W

1Pa

三、结果

实验中，由于光刻速率不高，决定经过每3小时左右的刻蚀后，取出硅片，用千分尺进行测量，最终结果如下表：

初始厚度

刻蚀3小时后厚度

刻蚀6小时后厚度

刻蚀8小时后厚度

300μm

230μm

150μm

110μm

0-3小时平均速率

23.333μm/h

3-6小时平均速率

26.667μm/h

6-8小时平均速率

20.000μm/h

速率计算结果如下表：

速率拟合直线如下图：

刻蚀前后表面对比如下：

左图为刻蚀前

左图为刻蚀后

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