CN103950887A - 一种深硅刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深硅刻蚀方法，包括如下步骤：（1）在硅片表面制备图形化的光刻胶掩膜；（2）对硅片进行深感应耦合等离子体干法刻蚀，包括多个刻蚀阶段，每个刻蚀阶段均在感应耦合等离子体机内，通过钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环加工完成，随着刻蚀深度的增加，各刻蚀阶段中轰击步骤的轰击强度逐渐增强。本发明有效解决了现有技术中侧壁垂直度及粗糙度难以控制以及大刻蚀深度难以实现的问题，在提高刻蚀效率的同时，提高了对光刻胶的选择比，刻蚀槽侧壁垂直度高，粗糙度小，刻蚀深度大。

Description

一种深硅刻蚀方法
技术领域
本发明属于等离子体加工技术领域，更具体地，涉及一种深硅刻蚀方法。
背景技术
微电子机械系统（MEMS）被越来越广泛地应用于汽车和消费电子等领域，以微电子工艺为基础的MEMS技术发展尤为迅速。高深宽比硅刻蚀技术引入微电子工艺后，一系列新型传感器和执行器结构得以实现。与表面加工工艺相比，深硅刻蚀工艺得到的体硅结构可活动的敏感质量更大，检测电容量更大，器件分辨率和灵敏度等性能指标更高。尽管如此，作为体硅MEMS器件加工中的关键步骤，现有的深硅刻蚀工艺侧壁垂直度及粗糙度难以控制，且刻蚀速率随刻蚀深度的增加而下降，使得深度达到几百微米的硅深刻蚀难以实现。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种深硅刻蚀方法，有效解决了现有技术中侧壁垂直度及粗糙度难以控制以及大刻蚀深度难以实现的问题，在提高刻蚀效率的同时，提高了对光刻胶的选择比，刻蚀槽侧壁垂直度高，粗糙度小，刻蚀深度大。
为实现上述目的，本发明提供了一种深硅刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）在硅片表面制备图形化的光刻胶掩膜；（2）对硅片进行深感应耦合等离子体干法刻蚀，包括多个刻蚀阶段，每个刻蚀阶段均在感应耦合等离子体机内，通过钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环加工完成，随着刻蚀深度的增加，各刻蚀阶段中轰击步骤的轰击强度逐渐增强。
优选地，所述步骤（2）包括第一刻蚀阶段和第二刻蚀阶段；
第一刻蚀阶段的刻蚀深度为120～180μm，其中，钝化步骤：离子源功率1500～2000W，下电极功率0W，腔体气压50～90mtorr，C4F8流量150～250sccm，SF6流量0～20sccm，时间0.375～0.40s；轰击步骤：离子源功率2000～3000W，下电极功率50～75W，腔体气压15～30mTorr，C4F8流量0～20sccm，SF6流量100～250sccm，刻蚀时间0.6～0.85s；刻蚀步骤：离子源功率3000～4000W，下电极功率0W，腔体气压80～140mTorr，C4F8流量0～20sccm，SF6流量700～1200sccm，刻蚀时间1～1.5s；
第二刻蚀阶段的刻蚀深度为100～150μm，其中，钝化步骤：离子源功率1500～2000W，下电极功率0W，腔体气压50～90mTorr，C4F8流量150～250sccm，SF6流量0～20sccm，刻蚀时间0.4～0.5s；轰击步骤：离子源功率2000～3000W，下电极功率100W，腔体气压15～30mTorr，C4F8流量0～20sccm，SF6流量100～250sccm，刻蚀时间0.65～0.9s；刻蚀步骤：离子源功率3000～4000W，下电极功率0W，腔体气压80～140mTorr，C4F8流量0～20sccm，SF6流量700～1200sccm，刻蚀时间1～1.5s。
优选地，所述步骤（2）还包括第三刻蚀阶段；
第三刻蚀阶段的刻蚀深度为90～110μm，其中，钝化步骤：离子源功率1500～2000W，下电极功率0W，腔体气压50～90mTorr，C4F8流量150～250sccm，SF6流量0～20sccm，刻蚀时间0.4～0.5s；轰击步骤：离子源功率2000～3000W，下电极功率150W，腔体气压15～30mTorr，C4F8流量0～20sccm，SF6流量100～250sccm，刻蚀时间0.65～1s；刻蚀步骤：离子源功率3000～4000W，下电极功率0W，腔体气压80～140mTorr，C4F8流量0～20sccm，SF6流量700～1200sccm，刻蚀时间1～1.5s。
优选地，所述步骤（2）还包括第四刻蚀阶段；
第四刻蚀阶段的刻蚀深度为40～60μm，其中，钝化步骤：离子源功率1500～2000W，下电极功率0W，腔体气压50～90mTorr，C4F8流量150～250sccm，SF6流量0～20sccm，刻蚀时间0.4～0.5s；轰击步骤：离子源功率2000～3000W，下电极功率150～200W，腔体气压15～30mTorr，C4F8流量0～20sccm，SF6流量100～250sccm，刻蚀时间0.8～1s；刻蚀步骤：离子源功率3000～4000W，下电极功率0W，腔体气压80～140mTorr，C4F8流量0～20sccm，SF6流量700～1200sccm，刻蚀时间1～1.5s。
优选地，每个刻蚀阶段中，单个钝化、轰击和刻蚀循环的时间不大于3s。
优选地，所述步骤（1）中，光刻胶掩膜的厚度为5～8μm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、将传统Bosch工艺的刻蚀、钝化两步循环分解为钝化、轰击和刻蚀三步循环，在高离子浓度的刻蚀步骤偏压为0，在较低离子浓度的轰击步骤施加偏压去除钝化层，实现对钝化层的物理轰击和对硅的化学腐蚀的分离，减小光刻胶所受的物理轰击，在提高刻蚀效率的同时，提高了对光刻胶的选择比，使光刻胶的选择比大于1:100。
2、包括多个刻蚀阶段，不同深度的刻蚀采用不同的加工工艺参数，随着刻蚀深度的增加，增大轰击强度，以平衡钝化过程随深度增加的增强，有效解决了工艺环境随刻蚀深度改变会对刻蚀侧壁垂直度带来不利影响的问题，提高了刻蚀深度及刻蚀槽侧壁的垂直度，刻蚀深度至少可达200μm，刻蚀深宽比为5～10:1，刻蚀槽侧壁的垂直度为90°±0.1°。
3、通过钝化层沉积、离子轰击钝化层和刻蚀三个步骤的快速切换，使得每个bosch循环的刻蚀时间、刻蚀深度减小，bosch循环在刻蚀槽侧壁的锯齿形形貌（图1.c所示）减小，从而减小了刻蚀槽侧壁的粗糙度，侧壁RMS粗糙度小于500nm。
4、采用高离子源功率和大刻蚀气体流量，提高了刻蚀速率，平均刻蚀速率高于10μm/min。
附图说明
图1是本发明实施例的单个钝化-轰击-刻蚀循环的工艺流程示意图，其中，（a）钝化；（b）离子轰击；（c）刻蚀；
图2是本发明实施例1得到的刻蚀槽的SEM图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-硅片，2-光刻胶掩膜，3-钝化层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例的深硅刻蚀方法，包括如下步骤：
（1）在硅片表面制备图形化的光刻胶掩膜，其厚度随刻蚀厚度可选5～8μm。
（2）对硅片进行深感应耦合等离子体干法刻蚀。
包括多个刻蚀阶段，每个刻蚀阶段均在感应耦合等离子刻蚀机内，通过钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环加工完成，随着刻蚀深度的增加，各刻蚀阶段中轰击步骤的轰击强度逐渐增强，即当前刻蚀阶段轰击步骤的轰击强度始终高于前一刻蚀阶段轰击步骤的轰击强度。
随着刻蚀深度的增加，散热更加容易，因而反应温度相应降低，由于钝化层在低温下更容易沉积，因而相同工艺条件下钝化效果得到增强。同时，刻蚀槽深度的增大也使得反应粒子进入槽底部进行反应的难度增大，导致轰击和刻蚀效果有所减弱。因此，如果使用相同的刻蚀参数，随着刻蚀深度的增加，刻蚀槽宽会越来越小，直至刻蚀深度不再随工艺时间的延长增加。本发明采用分阶段刻蚀工艺，随着刻蚀深度的增加适当增大轰击强度来平衡钝化，能有效提高刻蚀深度和刻蚀槽侧壁的垂直度。下电极功率越高，轰击强度越大；轰击步骤的工艺时间越长，轰击强度越大。
每个刻蚀阶段中，单个钝化、轰击和刻蚀循环的时间不大于3s，通过钝化、轰击和刻蚀三个步骤的快速切换，减小刻蚀槽侧壁的粗糙度。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例，对本发明的深硅刻蚀方法进行详细说明。
以下实施例的刻蚀阶段均采用英国Oxford公司生产的PlasmaProICP感应耦合等离子体硅刻蚀系统完成。
实施例1
深硅刻蚀方法包括如下步骤：
（1）在500μm厚的硅片表面制备8μm厚的图形化光刻胶掩膜。
（2）对硅片进行深感应耦合等离子体干法刻蚀，包括四个刻蚀阶段。
（2-1）第一刻蚀阶段：采用钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环加工400次，刻蚀深度为180μm。单个循环的工艺流程示意图如图1所示。
其中，钝化步骤的工艺参数为：离子源功率2000W，下电极功率0W，腔体气压90mtorr，C4F8流量250sccm，SF6流量20sccm，时间0.40s。
轰击步骤的工艺参数为：离子源功率3000W，下电极功率75W，腔体气压30mTorr，C4F8流量20sccm，SF6流量250sccm，刻蚀时间0.85s。
刻蚀步骤的工艺参数为：离子源功率4000W，下电极功率0W，腔体气压140mTorr，C4F8流量20sccm，SF6流量1200sccm，刻蚀时间1.5s。
（2-2）第二刻蚀阶段：采用钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环加工400次，刻蚀深度为150μm。
其中，钝化步骤的工艺参数为：离子源功率2000W，下电极功率0W，腔体气压90mTorr，C4F8流量250sccm，SF6流量20sccm，刻蚀时间0.5s。
轰击步骤的工艺参数为：离子源功率3000W，下电极功率100W，腔体气压30mTorr，C4F8流量20sccm，SF6流量250sccm，刻蚀时间0.9s。
刻蚀步骤的工艺参数为：离子源功率4000W，下电极功率0W，腔体气压140mTorr，C4F8流量20sccm，SF6流量1200sccm，刻蚀时间1.5s。
（2-3）第三刻蚀阶段：采用钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环加工400次，刻蚀深度为110μm。
其中，钝化步骤的工艺参数为：离子源功率2000W，下电极功率0W，腔体气压90mTorr，C4F8流量250sccm，SF6流量20sccm，刻蚀时间0.5s。
轰击步骤的工艺参数为：离子源功率3000W，下电极功率150W，腔体气压30mTorr，C4F8流量20sccm，SF6流量250sccm，刻蚀时间1s。
刻蚀步骤的工艺参数为：离子源功率4000W，下电极功率0W，腔体气压140mTorr，C4F8流量20sccm，SF6流量1200sccm，刻蚀时间1.5s。
（2-4）第四刻蚀阶段：采用钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环加工400次，刻蚀深度为60μm。
其中，钝化步骤的工艺参数为：离子源功率2000W，下电极功率0W，腔体气压90mTorr，C4F8流量250sccm，SF6流量20sccm，刻蚀时间0.5s。
轰击步骤的工艺参数为：离子源功率3000W，下电极功率200W，腔体气压30mTorr，C4F8流量20sccm，SF6流量250sccm，刻蚀时间1s。
刻蚀步骤的工艺参数为：离子源功率4000W，下电极功率0W，腔体气压140mTorr，C4F8流量20sccm，SF6流量1200sccm，刻蚀时间1.5s。
对得到的刻蚀槽进行SEM测试，结果如图2所示，刻蚀槽深度达499.2μm，深宽比为5:1，槽侧壁的垂直度为90.1°，侧壁的最大均方根（RootMean Square,RMS）粗糙度为500nm。
实施例2
深硅刻蚀方法包括如下步骤：
（1）在350μm厚的硅片表面制备5μm厚的图形化光刻胶掩膜。
（2）对硅片进行深感应耦合等离子体干法刻蚀，包括四个刻蚀阶段。
（2-1）第一刻蚀阶段：采用钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环加工400次，刻蚀深度为120μm。
其中，钝化步骤的工艺参数为：离子源功率1500W，下电极功率0W，腔体气压50mTorr，C4F8流量150sccm，SF6流量0sccm，刻蚀时间0.375s。
轰击步骤的工艺参数为：离子源功率2000W，下电极功率50W，腔体气压15mTorr，C4F8流量0sccm，SF6流量100sccm，刻蚀时间0.6s。
刻蚀步骤的工艺参数为：离子源功率3000W，下电极功率0W，腔体气压80mTorr，C4F8流量0sccm，SF6流量700sccm，刻蚀时间1s。
（2-2）第二刻蚀阶段：采用钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环加工400次，刻蚀深度为100μm。
其中，钝化步骤的工艺参数为：离子源功率1500W，下电极功率0W，腔体气压50mTorr，C4F8流量150sccm，SF6流量0sccm，刻蚀时间0.4s。
轰击步骤的工艺参数为：离子源功率2000W，下电极功率100W，腔体气压15mTorr，C4F8流量0sccm，SF6流量100sccm，刻蚀时间0.65s。
刻蚀步骤的工艺参数为：离子源功率3000W，下电极功率0W，腔体气压80mTorr，C4F8流量0sccm，SF6流量700sccm，刻蚀时间1s。
（2-3）第三刻蚀阶段：采用钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环加工400次，刻蚀深度为90μm。
其中，钝化步骤的工艺参数为：离子源功率1500W，下电极功率0W，腔体气压50mTorr，C4F8流量150sccm，SF6流量0sccm，刻蚀时间0.4s。
轰击步骤的工艺参数为：离子源功率2000W，下电极功率150W，腔体气压15mTorr，C4F8流量0sccm，SF6流量100sccm，刻蚀时间0.65s。
刻蚀步骤的工艺参数为：离子源功率3000W，下电极功率0W，腔体气压80mTorr，C4F8流量0sccm，SF6流量700sccm，刻蚀时间1s。
（2-4）第四刻蚀阶段：采用钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环加工400次，刻蚀深度为40μm。
其中，钝化步骤的工艺参数为：离子源功率1500W，下电极功率0W，腔体气压50mTorr，C4F8流量150sccm，SF6流量0sccm，刻蚀时间0.4s。
轰击步骤的工艺参数为：离子源功率2000W，下电极功率150W，腔体气压15mTorr，C4F8流量0sccm，SF6流量100sccm，刻蚀时间0.8s。
刻蚀步骤的工艺参数为：离子源功率3000W，下电极功率0W，腔体气压80mTorr，C4F8流量0sccm，SF6流量700sccm，刻蚀时间1s。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种深硅刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在硅片表面制备图形化的光刻胶掩膜；
（2）对硅片进行深感应耦合等离子体干法刻蚀，包括多个刻蚀阶段，每个刻蚀阶段均在感应耦合等离子体机内，通过钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环加工完成，随着刻蚀深度的增加，各刻蚀阶段中轰击步骤的轰击强度逐渐增强。
2.如权利要求1所述的深硅刻蚀方法，其特征在于，所述步骤（2）包括第一刻蚀阶段和第二刻蚀阶段；
第一刻蚀阶段的刻蚀深度为120～180μm，其中，钝化步骤：离子源功率1500～2000W，下电极功率0W，腔体气压50～90mtorr，C4F8流量150～250sccm，SF6流量0～20sccm，时间0.375～0.40s；轰击步骤：离子源功率2000～3000W，下电极功率50～75W，腔体气压15～30mTorr，C4F8流量0～20sccm，SF6流量100～250sccm，刻蚀时间0.6～0.85s；刻蚀步骤：离子源功率3000～4000W，下电极功率0W，腔体气压80～140mTorr，C4F8流量0～20sccm，SF6流量700～1200sccm，刻蚀时间1～1.5s；
第二刻蚀阶段的刻蚀深度为100～150μm，其中，钝化步骤：离子源功率1500～2000W，下电极功率0W，腔体气压50～90mTorr，C4F8流量150～250sccm，SF6流量0～20sccm，刻蚀时间0.4～0.5s；轰击步骤：离子源功率2000～3000W，下电极功率100W，腔体气压15～30mTorr，C4F8流量0～20sccm，SF6流量100～250sccm，刻蚀时间0.65～0.9s；刻蚀步骤：离子源功率3000～4000W，下电极功率0W，腔体气压80～140mTorr，C4F8流量0～20sccm，SF6流量700～1200sccm，刻蚀时间1～1.5s。
3.如权利要求2所述的深硅刻蚀方法，其特征在于，所述步骤（2）还包括第三刻蚀阶段；
第三刻蚀阶段的刻蚀深度为90～110μm，其中，钝化步骤：离子源功率1500～2000W，下电极功率0W，腔体气压50～90mTorr，C4F8流量150～250sccm，SF6流量0～20sccm，刻蚀时间0.4～0.5s；轰击步骤：离子源功率2000～3000W，下电极功率150W，腔体气压15～30mTorr，C4F8流量0～20sccm，SF6流量100～250sccm，刻蚀时间0.65～1s；刻蚀步骤：离子源功率3000～4000W，下电极功率0W，腔体气压80～140mTorr，C4F8流量0～20sccm，SF6流量700～1200sccm，刻蚀时间1～1.5s。
4.如权利要求3所述的深硅刻蚀方法，其特征在于，所述步骤（2）还包括第四刻蚀阶段；
第四刻蚀阶段的刻蚀深度为40～60μm，其中，钝化步骤：离子源功率1500～2000W，下电极功率0W，腔体气压50～90mTorr，C4F8流量150～250sccm，SF6流量0～20sccm，刻蚀时间0.4～0.5s；轰击步骤：离子源功率2000～3000W，下电极功率150～200W，腔体气压15～30mTorr，C4F8流量0～20sccm，SF6流量100～250sccm，刻蚀时间0.8～1s；刻蚀步骤：离子源功率3000～4000W，下电极功率0W，腔体气压80～140mTorr，C4F8流量0～20sccm，SF6流量700～1200sccm，刻蚀时间1～1.5s。
5.如权利要求1至4中任一项所述的深硅刻蚀方法，其特征在于，每个刻蚀阶段中，单个钝化、轰击和刻蚀循环的时间不大于3s。
6.如权利要求1至5中任一项所述的深硅刻蚀方法，其特征在于，所述步骤（1）中，光刻胶掩膜的厚度为5～8μm。
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