電感耦合等離子刻蝕法加工石英晶體諧振器工藝研究

陳靜白,張新海,劉 峰

(1.南方科技大學電子與電氣工程系,深圳 518055;2.廣東惠倫晶體科技股份有限公司,東莞 523757)

0 引 言

石英晶體諧振器(下文簡稱石英晶振)的主要作用是產生穩定的振蕩信號,廣泛應用于通信、計算機、醫療、汽車等領域。石英晶振可以自身產生特定頻率的振蕩信號,也可以作為電路中的諧振元件使用。隨著通信和計算機設備的快速發展,對石英晶振的要求也越來越高,其中,高基頻是石英晶振提升的方向之一。

石英晶片的各種切型中,AT切型的應用最為廣泛。對于AT切型石英晶片,在理想情況下它的振動頻率與晶片的厚度近似成反比[1-2],因此生產高基頻的石英晶振就需要更薄的石英晶片。石英的加工方式主要有機械加工、濕法刻蝕加工和干法刻蝕加工等。其中,機械加工可以提供足夠高的減薄效率[3],但是加工過程中容易造成材料的損傷,且在加工尺寸較小的石英晶振時,平滑度與精度都難以保證[4]。濕法刻蝕加工是目前高基頻石英晶振生產的主要方案,使用主要成分為氟化氫的溶液,輔以氟化銨或其他緩沖液[5],但是容易受到石英的各向異性影響,同時較為合適的腐蝕液的配方也在研究之中[6]。除這些之外,干法刻蝕加工也是一條解決問題的途徑。在石英表面使用金屬代替光刻膠充當掩膜可以有效阻擋干法刻蝕的氣體侵蝕,從而制備出清晰光滑的臺階結構[7]。電感耦合等離子(inductively coupled plasma, ICP)刻蝕是石英干法刻蝕的有效方式[8-11],對于垂直臺階結構的刻蝕效果,如垂直度、粗糙度等方面表現優秀,但是目前還未被用于實際生產。

20世紀50年代起,美國科學家就意識到,通過傳統機械研磨來提高石英晶振基頻的方法陷入了瓶頸,因此需要嘗試其他方法來減薄石英片。1972年,Guttwein等[12]首先設計出包含臺階結構的石英晶振模型,并提出使用離子束刻蝕法來進行石英晶振制備。1978年,Berte等[13]同樣使用干法刻蝕技術制備出了基頻高達271 MHz的石英晶振。我國科學家也利用離子束刻蝕法制備出了基頻高達300 MHz的石英晶振,但卻因為品質與加工難度等因素未能實現量產。近年來,考慮到濕法加工的便捷性,各大企業逐漸選擇濕法加工作為石英晶振量產的主要手段。然而,近年來的許多研究都圍繞著提高石英晶振的品質,在設計石英晶振時使用了較多的臺階結構[14],對于電極的外形也進行了非常多的優化[15-16]。而干法刻蝕在這些復雜結構的制備中具備很大優勢[17]。除此之外,為了提高生產的精度,石英晶振在后續的微調工藝中也需要使用干法刻蝕工藝[18]。因此,干法刻蝕在未來高基頻石英晶振的生產中具有很大潛力。

盡管目前對于石英晶振的制備工藝已經有很多的研究,但是,一方面在不同的環境與設備操作下的制備效果不盡相同,因此每次產品制備都需要對配方進行研究和調試;另一方面,我國高基頻石英晶振的產業化道路起步較晚,在國內諸多工廠工業生產中,光刻與刻蝕工藝剛初步引入,流程尚不成熟,亟須大量數據的積累。因此,對于石英晶振制備工藝的自主研發必不可少。本文將通過實驗研究干法刻蝕的步驟與各個工藝參數對刻蝕效果的影響,對比干法刻蝕在實際石英晶振生產中的優勢與不足,展示干法刻蝕加工在石英晶振工業生產中的可行性和應用前景。

1 實 驗

主要實驗環節包括光刻與刻蝕。在曝光流程中,選擇了德國SUSS MA6/BA6曝光機作為此次實驗的光刻設備,其分辨率可以達到1 μm,并且具有上下兩對攝像頭,以保證正反面對位都可以進行。石英刻蝕選擇在ICP刻蝕系統中進行,該系統有兩個高密度等離子體源。其中,ICP源是一個平面電極在反應室頂部的螺旋線圈,能量由頻率為13.56 MHz的射頻電源提供,或稱為激勵電源。偏置電源(或偏壓電源)的頻率與之相同,放置在反應室底部。ICP刻蝕過程中同時存在著物理和化學反應,對掩膜的刻蝕主要是離子進行物理濺射造成的。襯底的刻蝕主要是化學反應引起的,但也存在物理反應的增強作用[19]。刻蝕過程中各參數的選擇對刻蝕后的形貌起著關鍵作用。

石英刻蝕常常選用氟基氣體作為刻蝕氣體,常用的包括C4F8、CHF3與SF6等[20]。本次實驗使用的氣體為CHF3。實驗流程示意圖如圖1所示,詳細步驟為:

圖1 干法加工石英的實驗流程示意圖

1)選取厚度大約為68 μm的二寸石英晶圓。考慮到相比電鍍,磁控濺射的均勻性與附著力較好,因而使用磁控濺射設備對石英晶片鍍鉻,在兩面分別生長5 μm左右的鉻膜。

2)將光刻膠RZJ-304-50旋涂在鍍鉻的晶圓上,轉速為5 000 r/min,接著在100 ℃的熱板上烘烤180 s,勻膠厚度在2 μm左右。

3)將烘烤后的晶圓置于曝光機下曝光。本次實驗晶圓質量較小,而光刻膠具有一定黏性,為了避免晶圓被吸附在光罩上,選擇使用soft contact模式,曝光時間6 s,隨后使用RZX-3038顯影液進行顯影,大約持續60 s,最后置于120 ℃的熱板烘烤90 s堅膜,完成單面的軟掩膜制備。

4)使用硝酸鈰銨鉻刻蝕液對晶圓進行濕法刻蝕,大約15 min后即可將沒有光刻膠保護的區域刻蝕干凈。

5)依次使用丙酮、異丙醇、無水乙醇和去離子水進行超聲清洗,各清洗5 min,將表面光刻膠去除,然后烘干,完成硬掩模上圖案的制備。

6)開始進行刻蝕工藝。

7)取出后依次使用丙酮、異丙醇、無水乙醇和去離子水清洗。

其中,干法刻蝕工藝的主要步驟如表1所示。

表1 干法刻蝕的步驟

在Step 1與Step 2中通過氧氣預先進行表面的清潔,然后從Step 3開始通入刻蝕氣體,刻蝕時間的增加主要是通過后續Step 4與Step 5交替進行來實現的。在完成刻蝕后,會繼續使用氧氣進行一次干法清潔,最后進行充氣,隨后將樣品取出。

2 結果與討論

2.1 金屬掩模的選擇

常用的硬掩模包括Ni、Cr、Al和Au等金屬,此外,Al2O3與AlN作為掩膜有著很高的選擇比,也是備選的掩膜方案[21]。在石英晶振生產過程中,制備電極時需要的金屬包括Au、Ag和Cr,因此,盡管其他成分與結構的掩膜具有很多優勢,但是在實際生產過程中可操作性與效率較低。與Cr相比,Au與石英熱膨脹系數差距過大,這可能導致在溫度變化時附著效果變差,不僅會對石英晶振的后續刻蝕產生影響,還會對石英晶振性能有所影響,因此實際制備中通常先沉積一層較薄的Cr,再在其上面鍍Au。但是,考慮到Au作為掩膜的選擇比并不高,并且使用兩層金屬做掩膜會增加工序,延長時間,提高成本。因此使用Cr掩膜更加符合工業生產的要求,最終選擇使用單一的Cr掩膜作為刻蝕掩膜方案。

2.2 激勵電源功率探究

相比于反應離子刻蝕,ICP刻蝕最大的優勢是在系統上端增加了用于激發等離子的射頻電源,因此激勵電源的功率也是影響ICP刻蝕過程的重要參數。

根據設備功能,本次實驗使用的激勵電源功率最大可達600 W,因此設定這一參數在200 W至600 W之間。通過改變激勵電源功率,進行了大量實驗,得到的刻蝕速率和選擇比與激勵電源功率的關系如圖2所示。

圖2 刻蝕速率和選擇比與激勵電源功率的關系

由圖2可見,隨著激勵電源功率的增加,刻蝕速率明顯增加,但是選擇比的變化并不顯著。這是因為在一定范圍內,較大的等離子密度有利于化學和物理刻蝕。因此,在此次制備中,選取了最高的激勵電源功率600 W作為后續的實驗參數。但是過大的激勵電源功率對于裝置和腔體的散熱提出了更高的要求。

2.3 偏壓電源功率探究

干法刻蝕相較于濕法刻蝕,速率相對穩定,不易受外界因素影響。其中偏壓電源功率決定了等離子加速沖擊時的能量,對于刻蝕速率的影響很大。此外,增加偏壓電源功率也強化了物理刻蝕效應,因此會削弱選擇比,對掩膜提出更高要求。參考之前的實驗數據,本實驗中選擇了厚度較大的5 μm的鉻掩膜來進行刻蝕,在監控達到目標深度(20 μm)時停止,改變偏壓電源功率觀察實驗結果。將激勵電源功率設置為600 W,而將偏壓電源功率作為待定參數進行實驗。本設備可使用的最大偏壓電源功率為100 W,本次實驗使用的偏壓電源功率設定在30～80 W。刻蝕速率和選擇比與偏壓電源功率的關系如圖3所示,隨著偏壓電源功率的增加,刻蝕速率逐漸增加,但是選擇比相應減小。在實際生產中,制備掩膜所需要的時間也會被計算在成本之中,而且過厚的掩膜會受到熱應力而產生問題,對鍍膜工藝要求更高。

圖3 刻蝕速率和選擇比與偏壓電源功率的關系

目前使用磁控濺射制備鉻掩膜,需要分層制備,每層為1 μm,當制備到4層以上時,晶圓受到應力作用,破損率超過10%,不利于后續制備。而掩膜厚度存在限制,所對應的選擇比應當不低于5,所對應偏壓電源功率大約為60 W,若使用較低的50 W功率,在刻蝕時需要額外花費1～2 h,降低了效率,因此選擇了60 W作為最終的偏壓電源功率,在保證一定的選擇比的情況下盡可能增加刻蝕速率。

2.4 導熱物質探究

當偏壓電源功率大于40 W時,石英表面因為受到等離子沖擊形成了大量粗糙形貌,如圖4(a)所示。這可能是由于在長時間高功率的等離子刻蝕中,熱量不易快速均勻地傳導給托盤,從而形成了粗糙的形貌。因此,導熱物質的選擇對刻蝕效果的影響很大。本實驗設定了三種導熱物質,包括光刻膠、泵油與真空硅脂,通過實驗對三者進行了對比,如表2所示。

表2 不同導熱物質的對比

圖4 是否使用泵油導熱的刻蝕情況對比

考慮到本次的刻蝕是基于雙面的深度刻蝕(40 μm以上),需要使用易于去除、可支持長時間實驗的導熱物質,因此最終決定使用泵油作為導熱物質,使用效果對比如圖4(a)和(b)所示。

2.5 臺階形貌表征

綜合上述實驗結果,基本確定了最佳的掩膜方案與刻蝕參數,如表3所示。在這一條件下獲得了符合要求的刻蝕效果,如圖5所示,刻蝕深度達到22 μm左右。

表3 本實驗得到的最佳的掩膜方案與刻蝕參數

圖5 改進后的干法刻蝕結果

2.6 干法與濕法刻蝕對比

干法刻蝕加工的優勢主要體現在以下幾個方面:

1)安全性

濕法刻蝕設備不易在真空密閉環境下進行,氟化氫等液體均具有揮發性,因而在大規模生產時可能會對工作環境造成不利影響,操作者也會有一定風險。干法刻蝕腔體密閉真空,因此操作時風險較小。

2)側壁形貌

干法刻蝕后的臺階垂直度較好,這有利于石英晶振的設計和誤差控制。

添加對照組1與對照組2,其中對照組1使用6∶1的BOE(buffered oxide etch, 緩沖氧化物刻蝕液)的濕法刻蝕,對照組2為未添加導熱物質的干法刻蝕,均進行了20 μm深度的刻蝕。對比情況如表4所示,粗糙度是在晶圓中心選取長度為500 μm的直線測量所得。

表4 不同刻蝕方法下刻蝕效果對比

對比標準組與對照組1可以發現,二者的粗糙度都很低,并且十分相近(均小于10 nm,已經接近測量儀器的分辨率)。同時干法刻蝕的標準組臺階垂直度明顯好于濕法刻蝕制備的樣品,刻蝕的各向異性也較好。接著對比標準組和對照組2,盡管刻蝕速率上相差不大,但是刻蝕效果要差很多。在長時間的刻蝕中,因為導熱效果差,晶圓表面出現大量缺陷,因而表面粗糙情況要差很多。

此外,濕法刻蝕因為具有一定程度的各向同性,對掩膜下的石英可能會產生側面侵蝕,圖6是濕法刻蝕了30 μm深度時出現的情況,掩膜下方石英被側蝕后,其上的光刻膠出現了褶皺狀,部分區域甚至脫落。在大規模生產時這一情況可能積累,從而影響邊緣處掩膜和石英的接觸,這也會對后續的工藝產生影響。

圖6 濕法刻蝕中光阻上出現的褶皺狀樣貌

3)可控性

濕法刻蝕中氫氟酸揮發性強,刻蝕速率受濃度影響,實際生產中需要對濃度進行實時監控和調整,費時費力。而干法腐蝕的速率相對固定,因而在操作時便于控制。

本研究針對干法刻蝕與濕法刻蝕進行了多次實驗,不同刻蝕手段與刻蝕速率的結果如圖7所示,刻蝕速率的標準差見表5。

表5 不同刻蝕方法下刻蝕速率的標準差

圖7 干法刻蝕與濕法刻蝕速率的多次重復實驗結果

在重復了數次實驗后可以發現,濕法刻蝕的速率變化波動較大,可能是受到外界環境影響大,控制起來相對較難。而干法刻蝕較穩定,在控制刻蝕時比較容易,在一些要求較高的刻蝕時更加合適。

當然,干法刻蝕也存在一定不足。在實際生產中,為了保證刻蝕速率,需要使用相對較大的功率進行刻蝕,因而最終選擇比可能相對較小,因而需要更厚的掩膜方案。本實驗中使用的單一鉻掩膜厚度達到了5 μm,文獻報道中也有使用三明治夾層結構的掩膜方案以及使用氧化鋁等其他材質的方案,但這些掩膜在實際制備時需要付出額外的時間成本,而且因為應力作用,晶圓破碎的風險增加。在磁控濺射沉積單層金屬時,大約有5%～10%晶圓在這一步驟被損耗,多層濺鍍會大大提高這一風險。同時,設備與耗材的成本都相對較高。

3 結 論

1)激勵電源功率的提升有利于等離子密度的增加,從而對刻蝕速率有較為明顯的提升,而對掩膜選擇比的影響相對較小,因此選擇600 W激勵電源功率。

2)偏壓電源功率控制著等離子撞擊石英材料的速度,因此偏壓電源功率的提升也同樣有助于加快刻蝕,但是對掩膜的刻蝕也會增強,因而會降低掩膜的選擇比,因此選擇了適中的60 W作為實驗參數。相應地,考慮到掩膜的制備也需要時間成本,而且為了減少晶圓破裂的風險,可將偏壓電源功率控制在一個適中的范圍。

3)導熱物質泵油、光刻膠以及硅脂,三者各有優劣,最終選擇流動性相對較強的泵油作為導熱物質,在傳熱效果以及清洗手段方面有一定優勢。

4)按照優化參數與流程在68 μm厚度的石英晶圓上進行了臺階刻蝕實驗,臺階高度基本達到了所需要的22 μm,并且垂直度與形貌均達到了較好的效果。

5)通過控制干法刻蝕參數可以保證在刻蝕速率、粗糙度與濕法刻蝕相近的情況下,得到垂直度優于濕法刻蝕的結果,掩膜的制備也具備可操作性。因此干法刻蝕可以在刻蝕石英晶振時取代濕法刻蝕,應用于工業化石英晶振的生產。