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蚀刻工艺讲解

发布来源:深圳市铨隆五金制品有限公司  发布日期: 2021-10-30  访问量:198

蚀刻工艺讲解

为了在基板上形成功能性的MEMS结构,必须蚀刻先前沉积的薄膜和/或基板本身。通常,蚀刻过程分为两类:

浸入化学溶液后材料溶解的湿法蚀刻

干蚀刻,其中使用反应性离子或气相蚀刻剂溅射或溶解材料

在下文中,我们将简要讨论最流行的湿法和干法蚀刻技术。

湿蚀刻

这是最简单的蚀刻技术。它所需要的只是一个装有液体溶液的容器,该溶液会溶解所讨论的物质。不幸的是,由于通常需要掩模来选择性地蚀刻材料,因此存在复杂性。必须找到一种掩模,该掩模不会溶解或至少比被图案化的材料腐蚀得慢得多。其次,某些单晶材料,例如硅,在某些化学药品中表现出各向异性刻蚀。与各向同性蚀刻相反,各向异性蚀刻是指材料在不同方向上的蚀刻速率不同。典型的例子是晶面侧壁,当在诸如氢氧化钾(KOH)的化学物质中蚀刻硅晶片中的孔时出现。结果是形成了金字塔形的孔,而不是带有各向同性蚀刻剂的带有圆形侧壁的孔。下图说明了各向异性和各向同性湿法蚀刻的原理。

什么时候要使用湿蚀刻?

这是一项简单的技术,如果您可以找到适合您的应用的蚀刻剂和掩膜材料的组合,将会获得良好的效果。湿蚀刻对于蚀刻基板上的薄膜非常有效,也可以用于蚀刻基板本身。基板蚀刻的问题在于各向同性工艺将导致掩模层的底切与蚀刻深度相同的距离。各向异性工艺允许蚀刻在衬底中的某些晶体平面上停止,但仍会导致空间损失,因为当蚀刻孔或腔时,这些平面不能垂直于表面。如果这对您有限制,则应考虑对基板进行干法蚀刻。然而,

如果您要在薄膜上制作非常小的特征(与薄膜厚度相当),则各向同性湿法刻蚀也可能会遇到问题,因为底切至少等于薄膜厚度。使用干法蚀刻,几乎可以直接向下蚀刻而不会产生底切,从而提供了更高的分辨率。


干蚀刻

干蚀刻技术可分为三类,分别称为反应离子蚀刻(RIE),溅射蚀刻和气相蚀刻。

在RIE中,将衬底放置在反应器内部,在其中引入几种气体。使用射频电源将等离子吹入混合气体中,将气体分子分解成离子。离子朝着被蚀刻材料的表面加速并在其上反应,从而形成另一种气态材料。这被称为反应离子蚀刻的化学部分。还有一个物理部分本质上与溅射沉积过程相似。如果离子具有足够高的能量,它们可以将原子从待蚀刻的材料中剔除,而不会发生化学反应。开发平衡化学和物理蚀刻的干法蚀刻工艺是一项非常复杂的任务,因为有许多参数需要调整。通过改变平衡,有可能影响蚀刻的各向异性,因为化学部分是各向同性的而物理部分是高度各向异性的,所以该组合可以形成具有从圆形到垂直的形状的侧壁。下图显示了典型的反应性离子蚀刻系统的示意图。

RIE的一个特殊子类(继续快速增长)是深度RIE(DRIE)。在此过程中,几乎垂直的侧壁可以实现数百微米的蚀刻深度。主要技术基于所谓的“博世工艺”,以德国公司罗伯特·博世(Robert Bosch)的名字命名,该公司已申请了原始专利,其中在反应器中交替使用两种不同的气体成分。第一气体成分在基板的表面上产生聚合物,第二气体成分蚀刻基板。立即通过蚀刻的物理部分将聚合物溅射掉,但仅在水平表面上而不在侧壁上。由于聚合物仅在蚀刻的化学部分中溶解非常缓慢,它堆积在侧壁上并保护它们不受蚀刻。结果,可以实现50:1的蚀刻纵横比。该工艺可轻松用于完全蚀刻硅衬底,并且蚀刻速率比湿蚀刻高3-4倍。

溅射蚀刻实质上是没有反应离子的RIE。所使用的系统在原理上与溅射沉积系统非常相似。最大的不同在于,现在对基板进行了离子轰击,而不是对溅射沉积中使用的目标材料进行了轰击。

气相蚀刻是另一种干法蚀刻方法,可以用比RIE所需的设备更简单的设备来完成。在该过程中,将要蚀刻的晶片放置在腔室内,在腔室内引入一种或多种气体。在与气体分子发生化学反应的过程中,待蚀刻的材料溶解在表面。两种最常见的气相蚀刻技术是使用氟化氢(HF)的二氧化硅蚀刻和使用二氟化氙(XeF2)的硅蚀刻,两者本质上都是各向同性的。通常,在气相工艺的设计中必须小心,以免在化学反应中形成副产物,副产物在表面凝结并干扰蚀刻工艺。

什么时候要使用干蚀刻?

您应该注意的第一件事是,与湿法蚀刻相比,这种技术的运行成本很高。如果您关注薄膜结构的特征分辨率,或者需要垂直侧壁以在基板中进行深蚀刻,则必须考虑干蚀刻。如果您担心工艺和设备的价格,则可能需要最大程度地减少干法蚀刻的使用。长期以来,集成电路行业一直采用干法刻蚀来实现小的特征,但是在许多情况下,特征尺寸在MEMS中并不那么重要。干蚀刻是使能技术,有时成本很高。

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小钢片蚀刻加工

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