梳齒結構深刻蝕工藝改進

杜廣森，張富強，徐錫金

（1.濟南大學 物理學院，山東 濟南 250055；2.山東產業技術研究院 微納與智能制造研究院，山東 濟南 250101；3.北京信息科技大學 理學院，北京 100192）

0 引言

梳齒型傳感器是一種用于測量物理量變化的傳感器，它利用梳齒的諧振原理來實現高精度的測量［1］。當外部物理量作用于傳感器時，可移動梳齒的位置會發生微小移動，導致梳齒間電容、諧振頻率等發生改變，通過檢測微小變化量來確認傳感器外部所發生的物理變化的一類精密器件。梳齒型傳感器具有高精度、高靈敏度和低功耗的特點，廣泛應用于壓力、溫度、濕度、位置等的測量［2，3］。它在工業自動化、汽車電子、醫療設備等領域都有廣泛的應用。因此對于梳齒結構刻蝕的均勻性、垂直度、側壁粗糙度等都有著嚴格要求。

電感耦合等離子（inductively coupled plasma，ICP）刻蝕技術具有更高的精度、速度、選擇性和垂直刻蝕特性，使其在微納加工和器件制造中得到廣泛應用。深硅刻蝕技術是在此基礎上結合Bosch工藝中深反應離子刻蝕（deep reactive ion etching，DRIE）模塊，從而實現對高深寬比的硅（Si）結構的刻蝕。在深硅刻蝕過程中，SF6與C4F8電離產生的含氟等離子體在刻蝕過程中會與Si 發生化學反應以及物理作用，其二者在刻蝕過程的動態平衡是至關重要的，因此在刻蝕工藝中，對工藝進行調試是必不可少的。

本文通過改變氣體流量、刻蝕時間、下基板功率等參數，從而獲得深度線寬均勻性均在3%以內、垂直度達到（90 ±0.5）°、側壁粗糙度小于100 nm等要求的梳齒刻蝕工藝，以滿足對較高要求梳齒傳感器的制作工藝。

1 原理與實驗

1.1 深硅刻蝕機理

實驗采用英國SPTS 公司的LPX Rapier 深硅刻蝕機，在電場作用下刻蝕氣體輝光放電產生高密度等離子體［4］，從而對晶圓進行刻蝕。刻蝕和鈍化的氣體分別單獨交替進入工藝腔體內，待刻蝕的襯底在所謂的鈍化和刻蝕周期內分別暴露在高濃度的等離子體中，從而刻蝕得到垂直的側壁形貌。

刻蝕的基本過程為：首先，通入C4F8作為鈍化氣體在掩模與襯底表面形成碳氟聚合物；然后，SF6對襯底表面碳氟聚合物以及Si進行刻蝕。反應機理為

方程（1）表示刻蝕氣體被電離為帶電離子和中性F離子，在方程（2）中描述了Si去除的主要反應，電離產生的中性F離子與暴露在表面的Si進行反應，產物以氣體的形式被帶走；在整個刻蝕過程中除了化學反應所帶走的Si以外還存在帶電離子在加速電場的作用下對Si 表面的物理轟擊。在實驗前根據Taylor H K等人［5］在Si DRIE中空間不均勻性的表征與預測中所建立的模型，在理想情況下，刻蝕的反應速率主要受離子在反應腔體的空間分布，圖形的占空比，以及光刻膠的選擇比等有關，根據公式

式中 R（x，y）為不同位置的刻蝕速率；A（x，y），B（x，y）為電離產生的離子和中性粒子的空間分布；α1為一個常數；α2為光刻膠和Si的選擇比；Γ為圖像的占空比；ρave為晶圓表面平均圖形面積，在刻蝕圖形一定的情況下也可視為一個常數［5］。因此，刻蝕速率主要受離子的空間分布、圖像占空比以及光刻膠的選擇比等的影響。同時實際的刻蝕過程中離子的空間分布由于氣體的流量、腔體壓力、溫度等的變化會導致腔體的內離子分布并不均勻，從而導致同一晶圓不同位置的刻蝕結果并不相同。所以，本文主要從以上幾個方面出發，來尋求一種優化的刻蝕梳齒結構的配方。

1.2 實驗過程

刻蝕的目標結構為諧振式傳感器中的梳齒結構，最小線寬為4.5 μm，深度要求為70 μm。具體實驗過程如下：

1）清洗：使用硫酸（H2SO4）和雙氧水（H2O2）3∶1 配比的3號液120 ℃加熱超聲5 min，去離子水反復沖洗10 min，甩干機甩干。

2）光刻：實驗選用AZ5214 光刻膠，旋涂3 000 rad／min時間為30 s，前烘105 ℃時間為60 s，曝光能量90 mJ／cm2，顯影時間為60 s，使用臺階儀對光刻后的圖形進行測量，膠厚為2.8 μm。

3）刻蝕：設定實驗的初始工藝參數，射頻源1 功率2 200 W，射頻源2 功率500 W，通入刻蝕氣體進行刻蝕，調節腔體壓力、氣體流量和下基板功率等參數，獲得優化梳齒刻蝕程序。

2 結果與討論

深硅刻蝕工藝中，影響刻蝕結果的因素包括時間、壓力、功率、氣體流量等，本文主要從刻蝕均勻性、結構垂直度、側壁粗糙度等方面進行研究［6］。

2.1 刻蝕均勻性

諧振頻率、品質因數和線性響應等都與梳齒結構的刻蝕形貌有著密切關系［7］。刻蝕均勻性會直接影響整張晶圓最終器件的良率，均勻性影響梳齒性能的因素包括2 個點，分別是深度均勻性和線寬均勻性，而這2個因素在工藝調整過程中的變化方向往往是相同的，所以本文首先探究深度均勻性。

在刻蝕過程中，由于腔體內部的氣體分布并不是理論上的絕對一致，保持刻蝕和鈍化保護的時間射頻功率不變，調節刻蝕過程中SF6氣體流量，使用掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）測量不同位置刻蝕截面深度并使用式（5）計算刻蝕均勻性

測試結果如圖1 所示，改變SF6的氣體流量，由300 sccm提高至400 sccm 刻蝕深度均勻性有了明顯提升，但繼續提高氣體流量時，均勻性沒有繼續增長，反而出現了下降趨勢。為了獲得最佳的氣體流量在400 sccm前后又選取了2點進行實驗，最終確定380 sccm的SF6的流量，深度均勻性可以達到1.2%，符合預期要求。

圖1 氣體流量與深度均勻性的關系

Si的刻蝕根據式（2）可知主要依賴F 離子與Si 的反應，因此在梳齒區域圖形相對比較密集，刻蝕過程中對F離子的消耗相對更多，而在其他區域，F 離子消耗相對少，電離與消耗不平衡，從而導致刻蝕速率慢，影響整體均勻性，因此通過提高氣體流量使圖形密集區域F 離子數量提高，提高整體刻蝕均勻性，但當氣體流量達到一定值，繼續提高氣體流量時會破壞晶圓中間與邊緣區域刻蝕的平衡，導致均勻性的降低。

最終本文實驗確定實驗參數如表1，圖2 為光學顯微鏡在500倍放大倍數下拍攝并測量不同位置表面線寬的刻蝕結果，選取5 點計算均勻性，獲得片內線寬均勻性為1%，同樣符合預期要求。

表1 刻蝕壓力氣體流量參數

圖2 刻蝕線寬均勻性

2.2 刻蝕垂直度

梳齒結構的不良垂直度會引入非線性效應。當施加電壓變化時，非垂直的梳齒結構可能導致電極之間的電容不均勻變化，從而引起非線性振動響應。這可能導致輸出信號的失真，并影響性能，提高刻蝕的垂直度對梳齒結構是至關重要的。影響垂直度的主要因素是多樣的，本文實驗主要研究下基板功率對刻蝕垂直度的影響。初始刻蝕功率為70 W，形貌呈現為上寬下窄的倒梯形狀，而且隨著刻蝕深度的增加刻蝕形貌變得很差，底部開始出現黑Si現象。根據實驗驗證梳齒越深刻蝕氣體難以進入，從而使上下刻蝕出現較大差異，在保證其他參數不變的情況下，通過調節下基板功率改善刻蝕形貌。首先多次提高下基板功率，得到如圖3所示刻蝕角度與下基板功率的關系，根據數據分析可知，在一定功率內刻蝕角度會隨著功率的增加而有所改善，但當繼續提高下基板功率至100 W時并沒有出現更好的垂直度。為了獲得更好刻蝕垂直度，經過多次試驗，最終設置刻蝕過程中下基板功率周期性增加，由初始78 W 經歷430次循環后增加到130 W。同時根據式（4）可以知道，完美的刻蝕工藝其刻蝕與聚合物保護是動態平衡的，在保護與刻蝕過程中間引入了預刻蝕過程，預刻蝕階段SF6氣體流量為300 sccm，時間為1.3 s，用于去除底部聚合物，引入預刻蝕階段可以更好地調控保護與刻蝕的動態平衡。最終梳齒的刻蝕形貌如圖4 所示，垂直度達到89.7°符合預期對梳齒刻蝕垂直度的要求。

圖3 垂直度與下基板功率關系

圖4 梳齒截面結構形貌

2.3 側壁粗糙度

側壁粗糙度是深硅刻蝕工藝中描述刻蝕所得到的Si結構側壁表面的不平整程度。主要受保護刻蝕時間、氣體流量、壓力等影響。本文實驗采用調節刻蝕和聚合物保護的時間，使二者在刻蝕過程中達到適配，從而得到一個較好的刻蝕側壁形貌。結合2.2節提高刻蝕垂直度的工藝參數優化，通過SEM 觀察裂片側壁粗糙度，結果如圖5（a）所示，刻蝕時間為1.3～1.7 s時，側壁粗糙度為134 nm。由于預刻蝕將底部聚合物已經去除，此時刻蝕時間過長，會使等離子體過多腐蝕結構側壁，使側壁粗糙度變大，影響結構形貌，合理平衡各階段的時間，調整保護、預刻蝕、刻蝕時間分別為1.2，1.3，0.9～1 s，刻蝕結果如圖5（b）所示，側壁貝殼狀凸起為46.83 nm，達到預期效果，符合諧振式傳感器對梳齒刻蝕形貌的要求。

圖5 不同刻蝕時間下側壁粗糙度試驗結果

3 結論

本文由理想化的理論模型公式為出發點，優化了梳齒型諧振式傳感器中梳齒結構的深硅刻蝕工藝參數，包括SF6的氣體流量、工藝腔體壓力、刻蝕下基板功率以及鈍化保護與刻蝕的時間等參數，通過多次試驗對各個工藝參數反復優化，使得在刻蝕過程中各工藝條件達到動態平衡。運用SEM對刻蝕結果進行裂片觀察測量，獲得了垂直度為89.7°，側壁粗糙度在46 nm的梳齒結構，同時其片內均勻性也能達到1.2%。實驗結果符合對高精度梳齒結構的深刻蝕要求，可用于多種梳齒型MEMS傳感器的制作工藝中。