CN105600740A - 一种基于深反应离子刻蚀技术制备高深宽比硅微结构的方法 - Google Patents

一种基于深反应离子刻蚀技术制备高深宽比硅微结构的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于深反应离子刻蚀技术制备高深宽比硅微结构的方法，该方法采用光刻胶/SiO2复合掩膜实现高深宽比结构的高垂直度、低粗糙度刻蚀和精确图形转移，其深宽比可达100:1以上。通过控制气体流量、刻蚀钝化时间比、刻蚀功率等刻蚀参数，实现高深宽比的硅微三维结构加工。解决现有深槽结构表面积小、侧壁垂直度差、钻蚀现象严重、表面粗糙度大等技术难题。该硅微三维结构具有大容量体积比、高可靠性等特点，非常适用于MEMS能源储能器件，并满足能源系统微型化、智能化、集成化的发展要求。

Description

一种基于深反应离子刻蚀技术制备高深宽比硅微结构的方法
技术领域
本发明涉及硅微结构的制备方法，尤其涉及一种基于深反应离子刻蚀技术制备高深宽比硅微结构的方法。
背景技术
随着微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem，MEMS)的不断发展，各类传感器、微执行器等功能装置不断涌现，小尺寸、高功率、高集成度的微能源器件需求日益突出。微能源器件因结构稳定、作用迅速准确、储能密度大和可批量生产等优势，在现代储能领域颇受重视。
由于微能源器件结构二维面积有限，无法满足其储能要求，三维结构逐渐成为人们的研究热点。高深宽比三维结构能够充分利用高度空间进行储能以获得更高的能量和功率密度，可作为微纳器件的载体、执行机构或功能媒介，满足了微纳器件对于驱动力、使用频率范围、低噪声、高分辨率、灵敏度、位移量和集成互连等性能提高的迫切要求，已成为微能源发展的重要方向，在无线通信、生物、光电、微能源等领域获得广泛应用。规则的高深宽比结构表面具有独特的催化、粘附、抗菌、光学和动力学特性，为MEMS器件的进一步微型化开辟了新的思路和更广阔的应用领域。
高深宽比微结构的加工技术有很多，DRIE(深反应离子刻蚀)技术由于具有刻蚀精度高、刻蚀结构不受晶向影响、刻蚀深宽比高、自动化程度高、环境清洁、操作安全、IC兼容性好等优势逐渐成为高深宽比结构的主流加工技术。该技术采用通过电容耦合(CCP)装置实现离子加速，射频(RF)源提供高密度等离子体和离子加速的能量，循环钝化-刻蚀步骤的方法进行刻蚀，先沉积一层聚合物用于保护侧壁，再将聚合物与硅同时刻蚀掉，通过控制聚合物沉积和刻蚀步骤之间的平衡控制，最终实现高深宽比垂直结构的各向异性刻蚀。DRIE技术具有可控性高、刻蚀速率高、对Si刻蚀选择比高等优势，是目前应用最广泛的深槽刻蚀技术。然而，DRIE刻蚀硅微深槽结构的平整性和均匀性仍是一大技术难题，突破该瓶颈具有十分重要的实际意义和应用价值。
现有硅微结构刻蚀技术主要采用光刻胶、光刻胶/SiO2和金属Al三种掩膜方式。光刻胶做掩膜时为了保证足够的深度，需要增加光刻胶厚度，一方面造成光刻图形的失真(光刻胶加厚对光刻机的分辨率与显影要求更高)，另一方面光刻胶与硅的选择比有限，光刻胶在等离子体的长时间轰击下选择比会降低。金属Al做掩膜可以实现硅的深刻蚀，但一般采用氯基气体，选择比较低，生成的残留物在腔体内很难被带走，容易造成结构的污染，且刻蚀出的深宽比结构在中间区域会内凹，不利于后期结构的进一步加工。光刻胶/SiO2复合掩膜采用氟基气体刻蚀，反应生成物较易处理，不会造成结构污染。目前，国内对光刻胶/SiO2复合掩膜刻蚀高深宽比硅结构(深宽比50:1以上)的研究较少，且很难保持垂直度和低粗糙度。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种基于深反应离子刻蚀技术制备高深宽比硅微结构的方法，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于深反应离子刻蚀技术制备高深宽比硅微结构的方法，该方法采用光刻胶/SiO2复合掩膜能够制备高深宽比、高垂直度、低粗糙度、精确的图形转移的硅微结构。
本发明提出一种基于深反应离子刻蚀技术制备高深宽比硅微结构的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)清洗一片n型，(100)晶向的单晶硅作为衬底；
(2)在硅衬底表面沉积一层一定厚度的SiO2膜；
(3)在SiO2膜表面旋涂上一定厚度的光刻胶，经过光刻工艺实现图形转移；
(4)采用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀技术，通过调节CHF3和CF4气体流量和刻蚀功率，把光刻胶图形精确复制到SiO2膜上，使SiO2膜侧壁垂直度可达85度左右；
(5)采用DRIE工艺刻蚀形成高深宽比三维深槽结构：选择一定流量的SF6作为刻蚀气体，选择一定流量C4F8和O2作为钝化气体，进行钝化-刻蚀的交替过程，在钝化-刻蚀交替的时候同时通入一段时间的SF6和C4F8，有利于刻蚀与钝化的转换过渡，大大降低侧壁粗糙度，同时设置好线圈功率和平板功率，通过较低的平板功率来实现硅的快速刻蚀；
(6)对硅微结构上的刻蚀残留物进行清洗，得到干净的高深宽比硅微结构。
作为本发明方法的进一步改进，步骤(2)中所述在硅衬底表面沉积SiO2膜的厚度为1～2μm。
作为本发明方法的进一步改进，步骤(3)中所述在SiO2膜表面旋涂光刻胶的厚度为2～3μm。
作为本发明方法的进一步改进，步骤(5)中所述的SF6的流量为280sccm，所述C4F8的流量为80sccm，所述O2的流量为28sccm。
作为本发明方法的进一步改进，步骤(5)中所述在钝化-刻蚀交替的时候通入SF6和C4F8的时间为1s。
作为本发明方法的进一步改进，步骤(5)中所述线圈功率设置为600W，平板功率设置为12W。
作为本发明方法的进一步改进，步骤(6)中所述清洗的方式为：用O2清洗，清洗时间为20min。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明立足于微能源应用领域，针对实现容量大、瞬发功率高、可靠性高的储能器件的迫切要求。采用光刻胶/SiO2复合掩膜实现高深宽比结构的高垂直度、低粗糙度刻蚀和精确图形转移，其深宽比可达100:1以上。通过控制气体流量、刻蚀钝化时间比、刻蚀功率等刻蚀参数，实现高深宽比的硅微三维结构加工。解决现有深槽结构表面积小、侧壁垂直度差、钻蚀现象严重、表面粗糙度大等技术难题。该硅微三维结构具有大容量体积比、高可靠性等特点，非常适用于MEMS能源储能器件，并满足能源系统微型化、智能化、集成化的发展要求。
本发明还有如下优点：
1.采用光刻胶/SiO2复合掩膜，SiO2的刻蚀气体与Si的刻蚀气体均为氟基，能够避免生成新的衍生物；
2.在Si的钝化-刻蚀交替过程中，加入1s的时间同时通入刻蚀和钝化气体，保证在切换过程的转换过渡，降低结构粗糙度；
3.采用12W平板功率，加大刻蚀速率；
4.在刻蚀后加入O2清洗，避免结构沾污。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明一种基于深反应离子刻蚀技术制备高深宽比硅微结构的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例：一种基于深反应离子刻蚀技术制备高深宽比硅微结构的方法，包括以下步骤：
(1)清洗一片n型，(100)晶向的单晶硅作为衬底；
(2)在硅衬底表面沉积一层一定厚度的SiO2膜；
(3)在SiO2膜表面旋涂上一定厚度的光刻胶，经过光刻工艺实现图形转移；
(4)采用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀技术，通过调节CHF3和CF4气体流量和刻蚀功率，把光刻胶图形精确复制到SiO2膜上，使SiO2膜侧壁垂直度可达85度左右；
(5)采用DRIE工艺刻蚀形成高深宽比三维深槽结构：选择一定流量的SF6作为刻蚀气体，选择一定流量C4F8和O2作为钝化气体，进行钝化-刻蚀的交替过程，在钝化-刻蚀交替的时候同时通入一段时间的SF6和C4F8，有利于刻蚀与钝化的转换过渡，大大降低侧壁粗糙度，同时设置好线圈功率和平板功率，通过较低的平板功率来实现硅的快速刻蚀；
(6)对硅微结构上的刻蚀残留物进行清洗，得到干净的高深宽比硅微结构。
步骤(2)中所述在硅衬底表面沉积SiO2膜的厚度为1～2μm。
步骤(3)中所述在SiO2膜表面旋涂光刻胶的厚度为2～3μm。
步骤(5)中所述的SF6的流量为280sccm，所述C4F8的流量为80sccm，所述O2的流量为28sccm。
步骤(5)中所述在钝化-刻蚀交替的时候通入SF6和C4F8的时间为1s。
步骤(5)中所述线圈功率设置为600W，平板功率设置为12W。
步骤(6)中所述清洗的方式为：用O2清洗，清洗时间为20min。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于深反应离子刻蚀技术制备高深宽比硅微结构的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)清洗一片n型，(100)晶向的单晶硅作为衬底；
(2)在硅衬底表面沉积一层一定厚度的SiO2膜；
(3)在SiO2膜表面旋涂上一定厚度的光刻胶，经过光刻工艺实现图形转移；
(4)采用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀技术，通过调节CHF3和CF4气体流量和刻蚀功率，把光刻胶图形精确复制到SiO2膜上，使SiO2膜侧壁垂直度可达85度左右；
(5)采用DRIE工艺刻蚀形成高深宽比三维深槽结构：选择一定流量的SF6作为刻蚀气体，选择一定流量C4F8和O2作为钝化气体，进行钝化-刻蚀的交替过程，在钝化-刻蚀交替的时候同时通入一段时间的SF6和C4F8，有利于刻蚀与钝化的转换过渡，大大降低侧壁粗糙度，同时设置好线圈功率和平板功率，通过较低的平板功率来实现硅的快速刻蚀；
(6)对硅微结构上的刻蚀残留物进行清洗，得到干净的高深宽比硅微结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于深反应离子刻蚀技术制备高深宽比硅微结构的方法，其特征在于：步骤(2)中所述在硅衬底表面沉积SiO2膜的厚度为1～2μm。
3.根据权利要求2所述的一种基于深反应离子刻蚀技术制备高深宽比硅微结构的方法，其特征在于：步骤(3)中所述在SiO2膜表面旋涂光刻胶的厚度为2～3μm。
4.根据权利要求3所述的一种基于深反应离子刻蚀技术制备高深宽比硅微结构的方法，其特征在于：步骤(5)中所述的SF6的流量为280sccm，所述C4F8的流量为80sccm，所述O2的流量为28sccm。
5.根据权利要求4所述的一种基于深反应离子刻蚀技术制备高深宽比硅微结构的方法，其特征在于：步骤(5)中所述在钝化-刻蚀交替的时候通入SF6和C4F8的时间为1s。
6.根据权利要求5所述的一种基于深反应离子刻蚀技术制备高深宽比硅微结构的方法，其特征在于：步骤(5)中所述线圈功率设置为600W，平板功率设置为12W。
7.根据权利要求6所述的一种基于深反应离子刻蚀技术制备高深宽比硅微结构的方法，其特征在于：步骤(6)中所述清洗的方式为：用O2清洗，清洗时间为20min。
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