CN110171802A - 一种mems的深硅刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种MEMS的深硅刻蚀方法，属于深硅刻蚀技术领域。其技术方案为：一种MEMS的深硅刻蚀方法，包括沉积步骤、清理步骤、刻蚀步骤、吹扫步骤、重复沉积步骤、重复清理步骤、重复刻蚀步骤和重复吹扫步骤，经过若干次沉积步骤，清理步骤，刻蚀步骤和吹扫步骤侧循环，样品出真空。本发明的有益效果为：本发明的深硅刻蚀方法能够在大规模集成电路工业制造环境下应用，尤其是能够使传感器件元在长时间的刻蚀中，能够保持器件的完整性，以及能够满足器件设计的需求，添加吹扫步骤，可以降低真空反应腔室和样品台的温度，使真空反应腔室保持在一个恒定的范围内，有助于提供大尺寸样品刻蚀后的均匀性以及MEMS器件侧壁的粗糙度。

Description

一种MEMS的深硅刻蚀方法
技术领域
本发明涉及深硅刻蚀技术领域，尤其涉及一种MEMS的深硅刻蚀方法。
背景技术
微电子机械系统(Micro-electromechanical Systems)是把信息传感，处理，机械执行以及其他一些微器件，按照集成电路的制造原则，以高密度，低成本的方式集成在一个微系统中。MEMS中学科交叉现象及其明显，主要涉及微加工技术，机械学，固体声学理论，热流理论，电子学，生物等特征长度从1um到1mm。
MEMS器件的加工技术并非机械式。相反，他们采用类似于集成电路批处理的微制造技术。批量制造能够显著降低大规模生产的成本。若单个MEMS传感器件芯片的面积为5mm*5mm，则一个8英寸(直径为20厘米)硅片(wafer)可以切割出约1000个MEMS传感器件芯片，分摊到每个芯片的成本则可以大幅度的降低。因此MEMS商业化的工程除了提高产品的本身性能，可靠性外，还有很多工作集中于扩大加工硅片半径(切割出更多的芯片)，减少工艺步骤总数，以及尽可能地缩小传感器的尺寸。
MEMS器件的优点是体积小，重量轻，性能稳定，通过IC等工艺可批量生产，成本低，性能一致性好，功耗低，谐振频率高，响应时间短，综合集成度高，附加值高，具有多种能量转化，传输等功能，包括力，热，声，磁及化学，生物能等。
MEMS需要专门的电子电路IC进行采样或驱动，一般分别制造好的MEMS和IC粘在同一个封装内可以简化工艺。不过具有集成可能性是MEMS技术另一个优点，MEMS和ASIC采用几乎相同的工艺，因此具有极大地潜力将两者集成在一起，MEMS结构可以更容易地与微电子集成，然而，现阶段集成二者难度还是十分大的，主要考虑因素是如何在制造MEMS保证IC部分的完整性，例如，部分MEMS器件需要高温工艺，而高温工艺将会破坏IC电学特性，甚至会融化集成电路中低熔点材料。
目前的深硅刻蚀系统均采用Bosch工艺来实现。深硅刻蚀系统中存在多个步骤循环次数过多的情况下，导致腔室和样品台的温度过高，会导致整体刻蚀不均匀，MEMS器件侧壁粗糙度过高。因此，基于这个问题，有必要提供一种优化刻蚀的深硅刻蚀方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在大规模集成电路工业制造环境下应用，尤其是能够使传感器件在长时间的刻蚀中，保持器件的完整性的MEMS的深硅刻蚀方法。
本发明是通过如下措施实现的：一种MEMS的深硅刻蚀方法，包括沉积步骤、清理步骤、刻蚀步骤、吹扫步骤、重复沉积步骤、重复清理步骤、重复刻蚀步骤和重复吹扫步骤，将沉积步骤，清理步骤，刻蚀步骤和吹扫步骤进行不断的循环，循环次数与刻蚀深度为正相关的关系，经过若干次所述沉积步骤，清理步骤，刻蚀步骤和吹扫步骤侧循环，样品出真空。
所述的MEMS的深硅刻蚀方法具体包括以下内容：
(1)MEMS样品的预处理步骤：MEMS样品的预处理步骤：晶圆从传输腔室中传输到真空反应腔室，在真空反应腔室中完成一个循环的沉积步骤，清理步骤以及刻蚀步骤，在完成若干个循环后，硅刻蚀的深度达到MSMS器件的要求，将MEMS器件从真空反应腔室传输到传输腔室，晶圆返回大气状态，进行后续设备上的加工；MEMS样品经过光刻工艺之后，MEMS样品的光刻胶的CD宽50um，线距为40um，将样品的硬掩膜层打开，并保持MEMS样品的CD；
(2)沉积步骤：将MEMS样品从传输腔室传入反应离子等离子体刻蚀腔室，利用反应离子等离子体沉积，MEMS器件的顶部，侧壁以及底部形成一层钝化保护层膜层；反应离子等离子体刻蚀腔室里的气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2和醇类以及以上气体组合；
(3)清理步骤：在反应腔室中，用反应离子等离子体对MEMS器件顶部以及底部形成的钝化保护层膜层进行清洗，保留器件侧壁的钝化保护层膜层，反应离子等离子体刻蚀腔室里的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2和醇类的以及以上气体组合；
(4)刻蚀步骤：在反应腔室中，用反应离子等离子体对MEMS器件底部进行刻蚀，反应离子等离子体刻蚀腔室里的气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2和醇类以及以上气体组合；
(5)吹扫步骤：在传输腔室中，进行吹扫步骤，吹扫步骤使用惰性气体、氮气、氧气，以及以上气体组合；
(6)重复沉积步骤，反应离子等离子体刻蚀腔室里使用的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2，醇类以及以上气体组合；
(7)重复清理步骤，反应离子等离子体刻蚀腔室里使用的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2，醇类以及以上气体组合；
(8)重复刻蚀步骤，反应离子等离子体刻蚀腔室里使用的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2，醇类以及以上气体组合；
(9)重复吹扫步骤，可以使用惰性气体、氮气、氧气，以及以上气体组合；
(10)经过若干次沉积步骤，清理步骤，刻蚀步骤，吹扫步骤的循环，样品出真空腔室。
所述的MEMS的深硅刻蚀方法每一步骤中采用的真空腔压为10MT-500MT之间，刻蚀设备顶部的射频电源的射频功率可以设置为200W-3000W之间的范围，刻蚀设备底部的射频电源的射频功率可以设置为50W-500W之间的范围，刻蚀的时间为0.1S-10S之间。
具体地，本发明提供了一种MEMS的深硅刻蚀方法，包括沉积步骤、清理步骤、刻蚀步骤、吹扫步骤、重复沉积步骤、重复清理步骤、重复刻蚀步骤和重复吹扫步骤，将沉积步骤，清理步骤，刻蚀步骤和吹扫步骤进行不断的循环，循环次数与刻蚀深度为正相关的关系，经过若干次所述沉积步骤，清理步骤，刻蚀步骤和吹扫步骤侧循环，样品出真空。
所述的MEMS的深硅刻蚀方法具体包括以下内容：
(1)MEMS样品的预处理步骤：晶圆从传输腔室中传输到真空反应腔室，在真空反应腔室中完成一个循环的沉积步骤，清理步骤以及刻蚀步骤，在完成若干个循环后，硅刻蚀的深度达到MSMS器件的要求，将MEMS器件从真空反应腔室传输到传输腔室，晶圆返回大气状态，进行后续设备上的加工；MEMS样品经过光刻工艺之后，MEMS样品的光刻胶的CD宽50um，线距为40um，将样品的硬掩膜层打开，并保持MEMS样品的CD；
(2)沉积步骤：将MEMS样品从传输腔室传入反应离子等离子体刻蚀腔室，利用反应离子等离子体沉积，MEMS器件的顶部，侧壁以及底部形成一层钝化保护层膜层；反应离子等离子体刻蚀腔室里的气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2和醇类以及以上气体组合；真空腔压为10MT-500MT之间，刻蚀设备顶部的射频电源的射频功率可以设置为200W-3000W之间的范围，刻蚀设备底部的射频电源的射频功率可以设置为50W-500W之间的范围，刻蚀的时间为0.1S-10S之间；
(3)清理步骤：在反应腔室中，用反应离子等离子体对MEMS器件顶部以及底部形成的钝化保护层膜层进行清洗，保留器件侧壁的钝化保护层膜层，反应离子等离子体刻蚀腔室里的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2和醇类的以及以上气体组合；真空腔压为10MT-500MT之间，刻蚀设备顶部的射频电源的射频功率可以设置为200W-3000W之间的范围，刻蚀设备底部的射频电源的射频功率可以设置为50W-500W之间的范围，刻蚀的时间为0.1S-10S之间；
(4)刻蚀步骤：在反应腔室中，用反应离子等离子体对MEMS器件底部进行刻蚀，反应离子等离子体刻蚀腔室里的气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2和醇类以及以上气体组合；真空腔压为10MT-500MT之间，刻蚀设备顶部的射频电源的射频功率可以设置为200W-3000W之间的范围，刻蚀设备底部的射频电源的射频功率可以设置为50W-500W之间的范围，刻蚀的时间为0.1S-10S之间；
(5)吹扫步骤：在传输腔室中，进行吹扫步骤，吹扫步骤使用惰性气体、氮气、氧气，以及以上气体组合；真空腔压为10MT-500MT之间，刻蚀设备顶部的射频电源的射频功率可以设置为200W-3000W之间的范围，刻蚀设备底部的射频电源的射频功率可以设置为50W-500W之间的范围，刻蚀的时间为0.1S-10S之间；
(6)重复沉积步骤，反应离子等离子体刻蚀腔室里使用的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2，醇类以及以上气体组合；真空腔压为10MT-500MT之间，刻蚀设备顶部的射频电源的射频功率可以设置为200W-3000W之间的范围，刻蚀设备底部的射频电源的射频功率可以设置为50W-500W之间的范围，刻蚀的时间为0.1S-10S之间；
(7)重复清理步骤，反应离子等离子体刻蚀腔室里使用的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2，醇类以及以上气体组合；真空腔压为10MT-500MT之间，刻蚀设备顶部的射频电源的射频功率可以设置为200W-3000W之间的范围，刻蚀设备底部的射频电源的射频功率可以设置为50W-500W之间的范围，刻蚀的时间为0.1S-10S之间；
(8)重复刻蚀步骤，反应离子等离子体刻蚀腔室里使用的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2，醇类以及以上气体组合；真空腔压为10MT-500MT之间，刻蚀设备顶部的射频电源的射频功率可以设置为200W-3000W之间的范围，刻蚀设备底部的射频电源的射频功率可以设置为50W-500W之间的范围，刻蚀的时间为0.1S-10S之间；
(9)重复吹扫步骤，可以使用惰性气体、氮气、氧气，以及以上气体组合；
(10)经过若干次沉积步骤，清理步骤，刻蚀步骤，吹扫步骤的循环，样品出真空腔室。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的深硅刻蚀方法能够在大规模集成电路工业制造环境下应用，尤其是能够使传感器件元在长时间的刻蚀中，能够保持器件的完整性，以及能够满足器件设计的需求，适用于半导体器件，微加工制造等领域，尤其适合于对硅材料的深度刻蚀；适用于两层或者多层硅材料的刻蚀。
(2)本发明所使用的深硅刻蚀装置包括样品装载腔、真空反应腔室，和真空吹扫腔室，深硅刻蚀装置允许晶圆在不中断真空的前提下在真空反应腔室和真空吹扫腔室之间按照一定的顺序依次进行晶圆加工；用反应离子刻蚀机中完成对晶圆上MEMS器件中对硅衬底进行高深度的刻蚀，达到MEMS器件深度、侧壁粗糙的需求。
(3)依靠经过大规模生产验证的反应离子刻蚀腔室对器件进行快速的部分图形化。
(4)深硅刻蚀工艺中沉积步骤，清理步骤和刻蚀步骤的循环，这种工艺流程可以对MEMS器件进行高深度的刻蚀，其刻蚀深度远远高于传统刻蚀工艺。
(5)添加吹扫步骤，可以降低真空反应腔室和样品台的温度，使真空反应腔室保持在一个恒定的范围内，有助于提供大尺寸样品刻蚀后的均匀性以及MEMS器件侧壁的粗糙度。
(6)深硅工艺刻蚀中的沉积步骤，可以对MEMS器件的顶部，侧壁和底部形成一层钝化保护层，这样既可以使得MEMS器件的侧壁尽量少的暴露在等离子体中，从而减少等离子体对于MEMS器件的化学、结构损伤和磁性破坏，可以最大限度的保护器件的功能性，从而可以提高良率，也可以保护表面的掩膜层形成高选择比。
(7)MEMS器件加工过程一直处在真空环境中，避免了外界环境对刻蚀的影响。
(8)对MEMS器件的工艺流程，都分步进行了沉积和清洗以及刻蚀步骤，从而大幅度降低了MEMS器件膜层结构的表面沾污及损伤，极大的提高了MEMS器件的性能和可靠性。
附图说明
图1为本发明的MEMS的深硅刻蚀方法的工艺流程图。
图2为本发明的MEMS的深硅刻蚀方法经过深硅工艺刻蚀后的侧壁图。
图3为本发明的MEMS的深硅刻蚀方法经过深硅工艺刻蚀后的整体截面图。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
参见图1至图3，本发明是：一种MEMS的深硅刻蚀方法具体包括以下内容：
(1)MEMS样品的预处理步骤：晶圆从传输腔室中传输到真空反应腔室，在真空反应腔室中完成一个循环的沉积步骤，清理步骤以及刻蚀步骤，在完成若干个循环后，硅刻蚀的深度达到MSMS器件的要求，将MEMS器件从真空反应腔室传输到传输腔室，晶圆返回大气状态，进行后续设备上的加工；MEMS样品经过光刻工艺之后，MEMS样品的光刻胶的CD宽50um，线距为40um，将样品的硬掩膜层打开，并保持MEMS样品的CD；
(2)沉积步骤：将MEMS样品从传输腔室传入反应离子等离子体刻蚀腔室，利用反应离子等离子体沉积，MEMS器件的顶部，侧壁以及底部形成一层钝化保护层膜层；反应离子等离子体刻蚀腔室里的气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2和醇类以及以上气体组合；真空腔压为10MT-500MT之间，刻蚀设备顶部的射频电源的射频功率可以设置为200W-3000W之间的范围，刻蚀设备底部的射频电源的射频功率可以设置为50W-500W之间的范围，刻蚀的时间为0.1S-10S之间；沉积步骤的目的是在MEMS器件的表面，底部和侧壁都沾附一层表面钝化层，表面钝化层对MEMS样品进行保护。
(3)清理步骤：在反应腔室中，用反应离子等离子体对MEMS器件顶部以及底部形成的钝化保护层膜层进行清洗，保留器件侧壁的钝化保护层膜层，反应离子等离子体刻蚀腔室里的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2和醇类的以及以上气体组合；真空腔压为10MT-500MT之间，刻蚀设备顶部的射频电源的射频功率可以设置为200W-3000W之间的范围，刻蚀设备底部的射频电源的射频功率可以设置为50W-500W之间的范围，刻蚀的时间为0.1S-10S之间；清理的目的是将MEMS器件顶部和底部的0.1_5.0纳米厚钝化层的去除，保留MEMS器件侧壁的钝化保护层，这样可以使MEMS器件的侧壁存在保护层，MEMS器件底部完全暴露，降低MEMS器件底部的粗糙度，实现MEMS器件的完全电学隔离，避免MEMS器件与MEMS器件之间的短路；
(4)刻蚀步骤：在反应腔室中，用反应离子等离子体对MEMS器件底部进行刻蚀，反应离子等离子体刻蚀腔室里的气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2和醇类以及以上气体组合；真空腔压为10MT-500MT之间，刻蚀设备顶部的射频电源的射频功率可以设置为200W-3000W之间的范围，刻蚀设备底部的射频电源的射频功率可以设置为50W-500W之间的范围，刻蚀的时间为0.1S-10S之间；在清理步骤中完全暴露出的衬底硅进行刻蚀，如果是刻蚀多层的材料，利用光学的刻蚀终点监测，判定是否对硅刻蚀的量过多，来停止刻蚀；
(5)吹扫步骤：在传输腔室中，进行吹扫步骤，吹扫步骤使用惰性气体、氮气、氧气，以及以上气体组合；真空腔压为10MT-500MT之间，刻蚀设备顶部的射频电源的射频功率可以设置为200W-3000W之间的范围，刻蚀设备底部的射频电源的射频功率可以设置为50W-500W之间的范围，刻蚀的时间为0.1S-10S之间；降低腔室内温度，使腔室中的反应物脱离样品表面；
(6)重复沉积步骤，反应离子等离子体刻蚀腔室里使用的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2，醇类以及以上气体组合；真空腔压为10MT-500MT之间，刻蚀设备顶部的射频电源的射频功率可以设置为200W-3000W之间的范围，刻蚀设备底部的射频电源的射频功率可以设置为50W-500W之间的范围，刻蚀的时间为0.1S-10S之间；在MEMS器件的表面，底部和侧壁都沾附一层表面钝化层，表面钝化层可以对MEMS器件进行保护；
(7)重复清理步骤，反应离子等离子体刻蚀腔室里使用的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2，醇类以及以上气体组合；真空腔压为10MT-500MT之间，刻蚀设备顶部的射频电源的射频功率可以设置为200W-3000W之间的范围，刻蚀设备底部的射频电源的射频功率可以设置为50W-500W之间的范围，刻蚀的时间为0.1S-10S之间；
(8)重复刻蚀步骤，反应离子等离子体刻蚀腔室里使用的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2，醇类以及以上气体组合；真空腔压为10MT-500MT之间，刻蚀设备顶部的射频电源的射频功率可以设置为200W-3000W之间的范围，刻蚀设备底部的射频电源的射频功率可以设置为50W-500W之间的范围，刻蚀的时间为0.1S-10S之间；将在清理步骤2中完全暴露出的衬底硅进行刻蚀，如果是刻蚀多层的材料，一般利用光学的刻蚀终点监测，来判定是否对硅刻蚀的量过多，来停止刻蚀；
(9)重复吹扫步骤，可以使用惰性气体、氮气、氧气，以及以上气体组合；可以降低腔室内温度，使腔室中的反应物脱离样品表面；
(10)经过若干次沉积步骤，清理步骤，刻蚀步骤，吹扫步骤的循环，样品出真空腔室，循环次数的多少跟刻蚀深度有正相关的关系。
本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种MEMS的深硅刻蚀方法，其特征在于，包括沉积步骤、清理步骤、刻蚀步骤、吹扫步骤、重复沉积步骤、重复清理步骤、重复刻蚀步骤和重复吹扫步骤，将沉积步骤，清理步骤，刻蚀步骤和吹扫步骤进行不断的循环，循环次数与刻蚀深度为正相关的关系，经过若干次所述沉积步骤，清理步骤，刻蚀步骤和吹扫步骤侧循环，样品出真空。
2.根据权利要求1所述的MEMS的深硅刻蚀方法，其特征在于，具体包括以下内容：
(1)MEMS样品的预处理步骤：MEMS样品经过光刻工艺之后，MEMS样品的光刻胶的CD宽50um，线距为40um，将样品的硬掩膜层打开，并保持MEMS样品的CD；
(2)沉积步骤：将MEMS样品从传输腔室传入反应离子等离子体刻蚀腔室，利用反应离子等离子体沉积，MEMS器件的顶部，侧壁以及底部形成一层钝化保护层膜层；反应离子等离子体刻蚀腔室里的气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2和醇类以及以上气体组合；
(3)清理步骤：在反应腔室中，用反应离子等离子体对MEMS器件顶部以及底部形成的钝化保护层膜层进行清洗，保留器件侧壁的钝化保护层膜层，反应离子等离子体刻蚀腔室里的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2和醇类的以及以上气体组合；
(4)刻蚀步骤：在反应腔室中，用反应离子等离子体对MEMS器件底部进行刻蚀，反应离子等离子体刻蚀腔室里的气体为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2和醇类以及以上气体组合；
(5)吹扫步骤：在传输腔室中，进行吹扫步骤，吹扫步骤使用惰性气体、氮气、氧气，以及以上气体组合；
(6)重复沉积步骤，反应离子等离子体刻蚀腔室里使用的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2，醇类以及以上气体组合；
(7)重复清理步骤，反应离子等离子体刻蚀腔室里使用的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2，醇类以及以上气体组合；
(8)重复刻蚀步骤，反应离子等离子体刻蚀腔室里使用的气体可以为惰性气体、氮气、氧气、氟基气体、NH3、氨基气体、CO、CO2，醇类以及以上气体组合；
(9)重复吹扫步骤，可以使用惰性气体、氮气、氧气，以及以上气体组合；
(10)经过若干次沉积步骤，清理步骤，刻蚀步骤，吹扫步骤的循环，样品出真空腔室。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS的深硅刻蚀方法，其特征在于，所述的MEMS的深硅刻蚀方法每一步骤中采用的真空腔压为10MT-500MT之间，刻蚀设备顶部的射频电源的射频功率可以设置为200W-3000W之间的范围，刻蚀设备底部的射频电源的射频功率可以设置为50W-500W之间的范围，刻蚀的时间为0.1S-10S之间。
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