大厚度硅結構高精度干法刻蝕技術研究

夏春曉，盛 潔，楊 軍，郭中洋

(北京自動化控制設備研究所，北京100074)

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大厚度硅結構高精度干法刻蝕技術研究

夏春曉，盛 潔，楊 軍，郭中洋

(北京自動化控制設備研究所，北京100074)

增大敏感結構厚度是提高微機電陀螺性能的一個途徑。對大厚度敏感結構，在刻蝕過程中易出現“長草”、“縮口”和“屋檐”等典型缺陷，同時刻蝕后側壁垂直度、刻蝕均勻性較差，嚴重影響其尺寸精度。研究了刻蝕/鈍化比、刻蝕階段鈍化氣體通入時間和反應氣體流量等工藝參數對刻蝕形貌的影響，提出了一種分步刻蝕的方法，獲得了側壁垂直度89.95°與片內均勻性3.4%的刻蝕結果。

微機電系統；深硅刻蝕；側壁垂直度；刻蝕均勻性

0 引言

深反應離子刻蝕(Deep Reaction Ion Etch, DRIE)技術是基于德國Bosch專利、利用刻蝕/鈍化交替進行的方式，實現高深寬比硅結構制作的工藝方法，在微機電(MEMS)器件的制造中有著廣泛的應用[1-2]。由于高深寬比的硅結構能夠使器件具有更高的靈敏度，DRIE更加適用于如陀螺、加速度計等慣性器件的加工[3]。

高精度是MEMS陀螺的一個重要發展方向，國內外眾多研究單位對此開展了大量工作，其中一個重要工作是增大硅敏感結構的厚度[3-4]。其面臨的最大挑戰是大厚度刻蝕技術，當前敏感結構的加工深度大多為60～80μm[5]，而大厚度刻蝕的深度大于250μm，刻蝕過程中易出現長草(grass)、縮口(close up)和屋檐(eave)等典型缺陷，同時刻蝕后側壁垂直度、刻蝕均勻性較差[6]，嚴重影響敏感結構的尺寸精度，進而直接影響MEMS陀螺的性能。此外，DRIE工藝過程復雜，工藝參數多，包括刻蝕氣體流量、鈍化氣體流量、刻蝕時間/鈍化時間比、反應室氣壓、射頻功率以及平板電極功率等，每一個參數都會在不同程度上影響刻蝕形貌，增加了側壁形貌控制的難度[7]。

本文通過對大厚度刻蝕中出現的長草、縮口和屋檐等典型問題進行逐一研究，分析其產生機制，得到工藝參數對其的影響規律。在此基礎上提出一種分步刻蝕方法，避開工藝參數間的矛盾沖突，獲得了滿足工藝要求的刻蝕結果。

1 工藝要求及典型問題

高精度MEMS陀螺對敏感結構的加工精度要求很高，根據前期工藝方案設計要求和結構仿真分析，其工藝技術要求：刻蝕線寬25μm，刻蝕深度280μm，側壁角90°±0.1°，片內均勻性<5%，側壁粗糙度<100nm，線寬損失<1μm，對應的工藝技術要求示意見圖1。

圖1 敏感結構刻蝕工藝技術要求示意圖Fig.1 Schematic image of sensitive structure etching indicators

刻蝕過程是刻蝕與側壁鈍化交替作用的結果，當刻蝕能力不足時，鈍化產物阻礙刻蝕的進行，會出現長草和縮口等問題。長草問題主要是由于刻蝕底面鈍化層過多，形成局部微掩膜，在刻蝕過程中出現針狀硅殘留，如圖2(a)所示?？s口問題主要是由于隨著深度的增加刻蝕能力逐漸減弱，使得線寬突然變窄，如圖2(b)所示。此外當鈍化能力不足時，側壁的橫向刻蝕速率增加，刻蝕后側壁截面呈正梯形，垂直度差，如圖2(c)所示，同時在開口處可能出現屋檐問題，如圖2(d)所示。當反應離子濃度在基片內分布不均勻時，刻蝕形貌呈現明顯的均勻性問題。

圖2 大厚度敏感結構典型問題圖Fig.2 SEM images of typical defects in deep silicon etching

隨著刻蝕深度的增加，反應物和生成物的運輸過程會受到阻礙，反應離子到達反應表面時能量減小，同時側壁會吸收更多的反應離子，使到達反應表面的反應離子數目變少。因此，刻蝕能力隨著刻蝕深度的增加逐漸減弱，而鈍化能力隨著刻蝕深度的增加變化較小，從而加劇了上述問題的出現。

2 實驗方法

實驗使用單面拋光N型<111>晶向4英寸硅片，厚度525μm。實驗中采用光刻膠作為刻蝕掩膜，厚度約為8μm?？涛g實驗在SPTS公司生產的Pegasus型刻蝕機中進行，刻蝕結果通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察剖面的方式進行表征。

研究中采用單因素實驗方法，標準刻蝕條件如表1所示。通過分析刻蝕/鈍化時間比、刻蝕階段鈍化氣體通入量、反應室壓力等主要工藝參數對其的影響規律，合理地控制刻蝕過程中刻蝕能力與鈍化能力，解決大厚度敏感結構刻蝕中長草、縮口和屋檐等典型缺陷，得到符合工藝要求的側壁形貌。

表1 標準刻蝕工藝參數Tab.1 Standard etching process parameters

3 實驗結果與討論

3.1 大厚度刻蝕典型問題研究

3.1.1 長草問題

研究發現，長草問題主要與鈍化能力的強弱有關[8]，當刻蝕過程中鈍化能力較強時，鈍化層厚度較大，刻蝕周期不能夠將其有效的去除，從而產生長草問題。在其他工藝條件與標準條件一致的情況下，固定刻蝕階段鈍化氣體流量為25sccm，通過改變通入時間來研究其對長草問題的影響，實驗結果如圖3所示。

圖3 刻蝕階段鈍化氣體通入時間對長草問題的影響Fig.3 Influences of the duration of the passivation gas flow in etch phase on grass effect

從圖3可以得出，隨著刻蝕階段鈍化氣體通入量的減少，鈍化能力得到削弱，這將減少深槽底部的長草問題。因此，可以通過調整刻蝕階段鈍化氣體通入量的方式消除長草問題。

3.1.2 縮口問題

研究發現，縮口問題的產生主要是由于隨著刻蝕深度的不斷增加，刻蝕能力逐漸減弱，同時刻蝕產物得不到有效的排除所致[9]，而反應氣體流量直接影響刻蝕能力的強弱。因此，在其他工藝條件與標準條件一致的情況下，通過改變反應氣體SF6的初始流量及其遞增率來研究其對縮口問題的影響，實驗結果如圖4所示。

圖4 反應氣體流量對縮口問題的影響Fig.4 Influences of the flow rate of SF6 on closing up effect

從圖4可以得出，當刻蝕氣體流量較小(300sccm、330sccm)時，存在明顯的縮口問題。隨著反應氣體流量的增加，刻蝕能力不斷增強，縮口問題得到了有效的解決，但刻蝕氣體量通入過多(360sccm)時，刻蝕后側壁垂直度大于90°，而當反應氣體通入量隨著刻蝕深度的增加而逐漸增加(300sccm →360sccm)時，縮口問題得到了消除，同時保證了側壁垂直度。

3.1.3 屋檐問題

研究發現，屋檐問題的產生主要是由于刻蝕初始階段鈍化作用對側壁的保護能力不足[10]。因此，增加刻蝕階段鈍化氣體通入量，以增加刻蝕階段的側壁保護是解決屋檐問題的一個有效方法。此外，刻蝕階段鈍化氣體通入時間對刻蝕結果也有很大的影響，同時隨著槽深度的增加，刻蝕階段鈍化氣體通入時間也要相應地減小。在其他工藝條件與標準條件一致的情況下，固定刻蝕階段鈍化氣體C4F8流量為25sccm，改變通入時間來研究其對屋檐問題的影響，實驗結果如圖5所示。

圖5 刻蝕階段鈍化氣體通入時間對屋檐問題的影響Fig.5 Influences of the duration of the passivation gas flow in etch phase on etch uniformity

從圖5中可以得出，刻蝕階段鈍化氣體保護不足時(5min)，開口處垂直度很差只有88.8°。在刻蝕階段通入適量鈍化氣體后(20min)，開口處垂直度增大，屋檐問題得到了有效的解決。

3.1.4 側壁垂直度控制

研究發現，側壁垂直度主要由刻蝕/鈍化時間比所決定[11]。在其他工藝條件與標準條件一致的情況下，通過改變刻蝕/鈍化時間比，研究其對側壁垂直度的影響，圖6為得到的刻蝕/鈍化時間比與側壁形貌關系。

圖6 刻蝕/鈍化時間比對側壁垂直度的影響Fig.6 Influences of the etching and deposition time ratio on sidewall profiles

由圖6可以看出，當刻蝕/鈍化時間比為2時，側壁垂直度大于90°；隨著刻蝕時間相對減少，側壁垂直度減小，當刻蝕與鈍化時間比減小到1時，深槽結構的基本形狀從上梯形變化為下梯形。從刻蝕原理分析，深槽刻蝕基本過程是刻蝕與鈍化交替進行，在鈍化階段，槽的側面和底面同時形成一層鈍化層，在刻蝕階段，由于平板電極的定向作用，刻蝕離子對槽底面刻蝕速率大于對側壁的刻蝕速率，從而保證了在較快刻蝕底面的同時，側壁刻蝕較慢，實現各向異性刻蝕。當刻蝕/鈍化比相對減少時，鈍化作用加強，對側壁的鉆蝕也就相應地減小，側壁垂直度減小。當刻蝕/鈍化時間比進一步減小時，側壁保護過多，而使得側壁垂直度下降，甚至阻礙刻蝕反應的進行。因此，刻蝕/鈍化時間比必須適中才能獲得更加垂直的側壁。

3.1.5 刻蝕均勻性控制

研究發現，刻蝕均勻性問題的產生是由于反應離子濃度在基片內分布不均勻引起的，主要由反應室壓力所決定[11]。為此，通過固定鈍化階段反應室壓力20mTorr，將刻蝕階段反應室壓力從25mTorr增加至45mTorr，研究其對刻蝕均勻性的影響，實驗結果如圖7所示。

注：刻蝕均勻性=[(最大值-最小值)/(平均值×2)]×100%圖7 刻蝕階段反應室壓力對刻蝕均勻性的影響Fig.7 Influences of the pressure in etch phase on etch uniformity

由圖7可以看出，反應室壓力與刻蝕均勻性直接相關，并且當反應室壓力增加時，刻蝕均勻性變差，這是由于在低氣壓(25mTorr ～45mTorr)下，當刻蝕階段反應室壓力增大時，離子之間、離子與原子之間碰撞幾率增加，使得等離子體獲得的能量減小，部分等離子不再垂直作用于晶圓，產生不均勻刻蝕。

3.2 解決方案

通過對大厚度刻蝕中的典型形貌問題進行逐一研究，得到工藝參數的影響規律如表2所示。由表2可以看出，反應氣體流量、刻蝕階段鈍化氣體流量、刻蝕/鈍化時間比和刻蝕階段反應室壓力都會在某種程度上影響刻蝕側壁形貌，但對各個形貌問題的影響規律并不一致，甚至出現此消彼長的現象，因此不可能僅僅通過簡單改變某一參數來解決全部形貌問題。

為了解決大厚度敏感結構刻蝕中的長草、縮口和屋檐問題，同時提高側壁垂直度和刻蝕的均勻性，本文提出了一種分步刻蝕的方法，將刻蝕過程分為刻蝕的初始階段、中間階段、最終階段三個部分，分別對其進行工藝參數調節。根據上述研究結果，在初始階段，在刻蝕周期內增加適量的鈍化氣體，并使其隨工藝時間合理減小，可解決屋檐問題同時避免深槽底部的長草問題；在中間階段，調節反應氣體通入量，使其隨著刻蝕深度的增加而逐漸增加，可解決縮口問題；在最終階段，固定刻蝕氣體流量，同時減小刻蝕階段反應室壓力，以提高刻蝕均勻性，工藝參數見表3。

表2 工藝參數與工藝結果的對應關系

表3 分步刻蝕工藝參數Tab.3 Multi-step etching process parameters

3.3 結果驗證

采用這種分步刻蝕方法，最后刻蝕出深度為283.44μm，側壁垂直度為89.95°，片內刻蝕均勻性為3.4%，側壁粗糙度為72.8nm，無長草、縮口和屋檐等問題的硅結構，如圖8所示。

圖8 25μm等間距的深槽剖面圖Fig.8 SEM image of the profile of a 25μm interval line

4 結論

本文針對大厚度硅結構刻蝕中容易出現的長草、屋檐、縮口等典型問題進行了研究，分析了其產生機制，并給出了相應問題的關鍵影響參數，在此基礎上提出了一種分步刻蝕的方法，在保證刻蝕側壁垂直度高、刻蝕均勻性好的同時，有效解決了長草、屋檐、縮口等問題，最終獲得了側壁垂直度89.95°與片內均勻性3.4%的刻蝕結果，提高了大厚度硅結構的尺寸精度。

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Study of Deep Reactive Ion Etching(DRIE)of Silicon Structures with Large Thickness

XIA Chun-xiao, SHENG Jie, YANG Jun, GUO Zhong-yang

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China)

The performances of a MEMS gyro can be improved by increasing the thickness of sensitive structure. For the silicon structure with large thickness, the grass, closing up, the eave and other typical defects are usually come out during the DRIE, which deteriorate the dimensional accuracy. In this paper, the effects of the key process parameters on the DRIE results are studied. The parameters include the etching and deposition time ratio, the duration of the passivation gas flow in etch phase and the flow rate of SF6. In order to improve the dimensional accuracy of silicon etching, a new multi-step process with different etching parameters in each step is presented. With this method, the grass effect, closing up, and the eave effect are successfully suppressed and the profiles with a side wall vertical of 89.95° and a uniformity of 3.4% in a whole wafer are realized.

MEMS; DRIE; Sidewall angle; Etch uniformity

2015 - 3 - 30；

2015 - 3 - 30。

夏春曉(1989 - )，男，碩士，助理工程師，主要從事MEMS器件工藝技術研究。

E-mail: xcx_08@163.com

V444

A

2095-8110(2015)03-0096-06