CN102372250B - 一种刻蚀金属钨材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刻蚀金属钨材料的方法，在金属钨材料上形成刻蚀掩膜，然后采用高密度等离子体(如ICP、TCP等)干法刻蚀工艺，产生高密度、高能量离子和自由基，实现了对金属钨体材料的高速率、各向异性刻蚀。刻蚀速率可达2.95微米每分钟，刻蚀结果侧壁的陡直度可达60°。基于本发明的方法，可利用金属钨衬底基片作为制备MEMS器件的主体材料。

Description

一种刻蚀金属钨材料的方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)工艺技术领域，特别涉及一种各向异性、高速率干法刻蚀金属钨体材料的方法。

背景技术

在MEMS器件加工制造中，传统结构衬底材料通常采用单晶硅材料，而单晶硅材料存在一些固有缺陷，如脆性高，抗冲击能力差；相对金属材料其导电性较差，电阻率相较高；热稳定性相对较差，杨氏模量在超过600℃的时候会发生明显变化，不适于高温条件下应用，影响了器件的应用范围。

金属钨材料是自然界熔点最高的金属(3410℃)，同时具有高强度、高硬度、低电阻率的特点。金属钨材料耐高温，耐冲击、耐磨损，热稳定性好，能够保证器件在高温条件下稳定工作，是MEMS器件加工制造结构材料的很好的选择，尤其适用于高温等较为恶劣或极端的环境。传统钨材料多采用物理或化学沉积等方法形成薄膜，但由于工艺限制和应力等原因，薄膜厚度一般不超过2微米，影响了器件的设计和制造。如果能够以金属钨体材料作为结构材料取代传统的单晶硅体硅材料制作MEMS开关、MEMS谐振器、MEMS探针、微细电火花加工电极等器件，由于前面所述特性，这些器件将具有更优越的电学、力学和耐高温等特性。金属钨是微电子芯片测试探针的主要材料，随着芯片节距的缩小，探针和探针卡也需要用新的微细加工方式实现微小化，相较目前的单晶硅微探针(卡)，金属钨体材料形成的微探针(卡)具有硬度高、磨损率低、电阻低、可靠性高的优点。

由于金属钨材料高密度高硬度等性质，传统的反应离子刻蚀工艺对其产生的刻蚀速率非常低，横向钻蚀也较大，无法在相对较短时间内实现大深度、高深宽比的刻蚀，无法满足MEMS器件的制造需求。因此，目前对金属钨材料的应用多是在集成电路工艺中，通过物理或化学沉积的方法制备一层厚度小于2微米的薄膜，而后利用传统反应离子刻蚀工艺对其进行加工，制备出器件的一部分，如金属栅、金属互联、金属二极管等，使用的刻蚀气体或气体组合涉及CF₄，CF₄+O₂，Cl₂，Cl₂+O₂，SF₆，SF₆+O₂，NF₃，CCl₄+O₂等，采用的刻蚀方法涉及平板等离子体刻蚀(PE)、反应等离子体刻蚀(RIE)、电子回旋共振等离子体刻蚀(ECR)等，由于等离子体密度相对较低(小于10¹⁰-10¹²cm^-3)，能量低，产生的刻蚀速率一般远小于1微米每分钟。

目前，没有相关报道采用金属钨体材料作为主要结构制备的MEMS器件，而现有薄膜钨材料的刻蚀工艺速率普遍较低，各向异性差，成为主要瓶颈。适用于金属钨体材料的加工，能实现高速率、高深宽比的刻蚀的工艺方法尚无报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对金属钨材料实现高深宽比刻蚀的方法，特别是可以实现金属钨体材料的各向异性、高速率刻蚀的方法，以扩展金属钨体材料在MEMS器件制备领域中的应用。

本发明对金属钨材料(尤其是金属钨体材料)进行刻蚀的方法是，在金属钨材料上形成刻蚀掩膜，然后采用等离子体密度大于10¹²cm^-3的高密度等离子体干法刻蚀对金属钨材料进行刻蚀。

现有的感应耦合等离子体(ICP)和变压器耦合等离子体(TCP)等干法刻蚀工艺经优化后都可以产生高密度等离子体。优化的线圈功率是≥600W，用于产生高密度等离子体，进而实现高速率刻蚀；优化的平板功率是≥150W，辅以增加离子轰击衬底能量以及调整轰击方向，进而实现高刻蚀速率下的各向异性。

进一步的，为了增加刻蚀速率和刻蚀的各向异性，刻蚀过程中下电极托盘设置温度≤5℃，刻蚀腔体内气压≤50mTorr。采用较低的衬底托盘温度和较低的腔体气压可以增强对金属钼材料刻蚀的各向异性，增加刻蚀结果侧壁的陡直度。

氟基气体，氯基气体和溴基气体均可在上述条件下对金属钨材料产生刻蚀，其组合也可以在上述条件下对金属钨材料产生刻蚀，对前述各种气体或气体组合增加O2，Ar等气体可以进一步增加刻蚀速率以及刻蚀侧壁陡直度。

进一步的，本发明优选采用SF₆+O₂的气体组合作为刻蚀气体，通过调节O₂比例来增加刻蚀速率和刻蚀结果侧壁的陡直度，O₂气体流量占刻蚀气体总流量(SF₆和O₂气体流量总和)的60％～80％。

此外，在刻蚀气体中添加Cl₂能进一步增加刻蚀速率和刻蚀结果侧壁的陡直度。

在本发明的一些具体实施例中，采用ICP对金属钨体材料进行刻蚀的具体刻蚀参数是：用于产生感应耦合等离子体的线圈功率为600瓦～1000瓦；用于增加等离子体能量的平板功率为100瓦～400瓦；下电极托盘设置温度≤5℃；腔体气压≤50mTorr(约6.65Pa)；结构刻蚀气体是SF₆和O₂，其中SF₆气体流量为50sccm～200sccm，O₂气体流量占结构刻蚀气体总流量(SF₆和O₂气体流量总和)的60％～80％。在某些情况下，在刻蚀气体中添加Cl₂，Cl₂气体流量为5sccm～50sccm。

本发明ICP刻蚀金属钨体材料的刻蚀掩膜可以是光刻胶掩膜或硬掩膜。相比于正性光刻胶(如AZ4620胶)，负性光刻胶(如SU-8胶)的掩蔽能力较强，特别是在刻蚀气体中O₂气体流量较大的情况下，正性光刻胶难以起到掩蔽作用，需要采用负性光刻胶作为掩膜材料。为实现高深度的刻蚀，负性光刻胶掩膜的厚度一般在20微米以上。

适用于本发明的硬掩膜材料包括Al薄膜、AlN薄膜、Cr薄膜、Ni薄膜、Cu薄膜、Ti薄膜等，为实现高深度的刻蚀，硬掩膜的厚度一般采用0.5微米以上。通过物理气相沉积(PVD)或者化学气相沉积(CVD)方法在金属钨体材料表面形成硬掩膜层，然后经涂覆光刻胶以及光刻定义刻蚀图形，再采用干法刻蚀或者湿法腐蚀手段将刻蚀图形转移到硬掩膜上，形成刻蚀掩膜。

本发明采用高密度等离子体(如感应耦合等离子体(ICP)，变压器耦合等离子体(TCP)等)干法刻蚀工艺，产生高密度、高能量离子和自由基，实现了对金属钨体材料的高速率、各向异性刻蚀，刻蚀速率可达2.95微米每分钟；刻蚀结果侧壁的陡直度可达60°。基于本发明的方法，可利用表面抛光的金属钨基片制作高深宽比微结构。

附图说明

图1是实施例1对金属钨衬底进行刻蚀的流程示意图，其中1-金属钨衬底，2-未曝光的SU-8光刻胶，2’-刻蚀掩膜。

图2是实施例1对金属钨衬底进行刻蚀的刻蚀结果扫描电子显微镜图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明做进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。

1.制备刻蚀掩膜：

如图1所示，采用负性光刻胶SU-83050作为掩膜材料，将表面抛光的高纯度圆片级金属钨的衬底基片1用丙酮酒精清洗并烘干后，在其表面涂覆一层厚度为60微米的负性光刻胶2，如图1(a)所示。光刻胶2经前烘、曝光、后烘、显影图形化后，得到具有所需刻蚀图形的刻蚀掩膜2’，见图1(b)。

2.刻蚀：

采用Trion Technology Minilock III ICP刻蚀机，实现对金属钨衬底1的高深宽比刻蚀，如图1(c)所示。刻蚀参数设置为：用于产生感应耦合等离子体的线圈功率为800瓦，用于增加等离子体能量的平板功率为150瓦，腔体气压为23毫托，衬底温度为-20℃，SF₆气体流量53sccm，O₂气体流量98sccm。刻蚀时间为10分钟。

3.刻蚀结果：

刻蚀速率为2.95微米每分钟，刻蚀结果见图2，侧壁倾斜角为60度。

Claims (8)

1.一种刻蚀金属钨体材料的方法，在金属钨体材料上形成刻蚀掩膜，然后对金属钨体材料进行高密度等离子体干法刻蚀，其中，等离子体密度大于10¹²cm^-3，刻蚀时设定线圈功率≥600W，平板功率≥150W，刻蚀过程中下电极托盘设置温度≤5℃，刻蚀腔体内气压≤50mTorr，刻蚀气体包括氟基气体。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用感应耦合或变压器耦合产生高密度等离子体对金属钨材料进行干法刻蚀。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，刻蚀气体还包括O₂和/或Ar。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，采用SF₆和O₂的气体组合作为刻蚀气体。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，O₂气体流量占SF₆和O₂气体总流量的60％～80％。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，SF₆气体流量为50sccm～200sccm。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，刻蚀气体中还添加有流量为5sccm～50sccm的Cl₂。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用感应耦合等离子体干法刻蚀对金属钨材料进行刻蚀，刻蚀气体是SF₆和O₂的组合气体，其中SF₆气体流量为50sccm～200sccm，O₂气体流量占SF₆和O₂流量之和的60％～80％。