CN1718534A - 反应离子深刻蚀加工微结构的侧壁钝化方法 - Google Patents
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Abstract
一种属于微细加工技术领域的反应离子深刻蚀加工微结构的侧壁钝化方法，本发明采用模压或商品有机玻璃为被刻蚀材料，用镍掩膜电镀的方法实现图形化，以氧气为主刻蚀气体，采用侧壁钝化技术，即往主刻蚀气体中加入40％～50％的CHF3在侧壁形成钝化层，并调整刻蚀气体成分、气压和功率以控制侧壁刻蚀速率，达到侧壁钝化而图形底部被垂直刻蚀的效果。本发明利用反应离子深刻蚀技术对高分子聚合物PMMA进行深刻蚀，侧壁钝化技术控制侧壁钻蚀现象，直接得到高深宽比塑料三维微结构，实现一种成本低、适于MEMS的高深宽比微加工方法。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微细加工技术领域的方法，具体地说，是一种反应离子深刻蚀加工微结构的侧壁钝化方法。
背景技术
目前用于制作高深宽比微结构的微机械加工方法主要包括LIGA技术、深紫外线光刻、离子束刻蚀、激光刻蚀等，其中LIGA技术是最为先进的一种，但是由于该技术需要使用同步辐射光源和特制的掩膜板，加工周期长，费用成本高而受到限制；深紫外线光刻技术也是一种比较常用的微机械加工技术，它加工的结构具有较低的粗糙度，但是由于深紫外线的衍射效应，使得其加工的微结构的深宽比比较小。另外几种工艺都有其明显的不足，如离子束刻蚀由于主要是物理刻蚀，其刻蚀选择比不可能太高，而激光刻蚀不能实现批量加工。反应离子刻蚀是干法刻蚀的一种，它不仅有高的刻蚀速率，而且有良好的方向性和选择比，能刻蚀精细图形，因此人们对这项技术给予了极大的重视。
经对现有技术文献的检索发现，Dick等在Proc.IEEE MicroElectroMechanical Sys.1995Pages 238(IEEE微机电系统国际会议)上发表了“DEEMOa new technology for the fabrication of microstructures”(DEEMO-一种制造微结构的新技术)，该文章提及一种DEEMO微结构制造技术，这种技术是用干法刻蚀(主要是反应离子刻蚀)代替LIGA技术中的X射线光刻工艺。在实验中，采用SF6/O2/CHF3等离子体对硅进行刻蚀，刻蚀深度为20μm。刻蚀结束后再对获得的硅槽进行电镀以获得金属铸模或直接用硅结构作为铸模对聚会物进行模压。亦是工艺复杂，成本较贵。在对聚合物进行深刻蚀的报道中，目前报道较多的是对聚酰亚胺的刻蚀，因为该有机材料在微机电系统中应用的较多。如S.Watanabe等在J Intell.Sys.&Struc.1997Pages 173-176(智能系统和微结构)上发表了“Fabrication methods for high aspect ratiomicrostructures”(高深宽比微结构的加工方法)，该文章报道用磁控反应离子刻蚀聚酰亚胺，刻蚀深度为50μm，图形侧壁也不陡直。A.b Yu在Proceedingsof SPIE 2001，vol.4601：Pages 278-283(SPIE国际会议，微机械和微加工技术及器件分会)发表了“High aspect ratio PMMA microstructures fabricatedby RIE”(反应离子刻蚀加工高深宽比PMMA微结构)，对有机玻璃进行刻蚀，得到图形深度不超过100μm，图形深宽比为5的有机玻璃微结构。但是由于没有进行侧壁钝化，侧壁被钻蚀，刻蚀图形侧壁不陡直。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提出一种反应离子深刻蚀加工微结构的侧壁钝化方法，使其利用反应离子深刻蚀技术对高分子聚合物PMMA进行深刻蚀，侧壁钝化技术控制侧壁钻蚀现象，直接得到高深宽比塑料三维微结构，实现一种成本低、适于MEMS的高深宽比微加工方法。
本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明采用模压或商品有机玻璃为被刻蚀材料，用镍掩膜电镀的方法实现图形化，以氧气为主刻蚀气体，采用侧壁钝化技术，即往主刻蚀气体中加入40％～50％的CHF3在侧壁形成钝化层，并调整刻蚀气体成分、气压和功率以控制侧壁刻蚀速率，达到侧壁钝化而图形底部被垂直刻蚀的效果。
本发明包括以下步骤：
(1)先在清洗干净的有机玻璃试样表面溅射一层15nm厚的Cr和85nm厚度的Cu种子层(其总厚度为100nm)，再把有机玻璃片粘贴在玻璃衬底上，待胶固化好后，用切片机对有机玻璃进行铣切，将有机玻璃减薄到设定的厚度，再在有机玻璃上表面溅射一层15nmCr和85nmCu的种子层；
(2)有机玻璃表面甩胶，接着曝光，并显影坚膜；
(3)接着进行镍掩模电镀，掩膜厚2～3μm，用3％KOH溶液去胶，选择性腐蚀Cr/Cu，形成图形化的Ni掩模；
(4)对有机玻璃进行刻蚀：具体选定O2和CHF3的混合气体为刻蚀气体，CHF3的比例控制在40％～50％之间，气体总流量保持为50sccm，刻蚀气体纯度为99.99％，刻蚀气压在30～45mTorr之间，功率在30～50W之间，刻蚀温度尽量低(14～18℃)，通过优化的刻蚀工艺，最终得到侧壁陡直的微结构图形。
所述的溅射，其工艺参数为：本底真空2.0×10-6mbar，工作气压8.0×10-3mbar，Ar气流量4.8sccm，功率600W。
所述的甩胶，其转速为4000r/min，时间为30秒，胶厚为2～3μm。
所述的曝光，是指紫外线曝光20～30秒。
所述的显影，其时间为40～50秒。
所述的镍掩模电镀，其工艺参数为：PH值4.5，电流20mA/cm2，电镀时间10分钟。
本发明的工作原理是：
(1)选择有机玻璃(PMMA)作为刻蚀对象，因为有机玻璃是一种优良的聚合物材料，该材料具有优良的透光性，电绝缘性，耐热和耐腐蚀，力学强度高，在光电子学、集成光学和微机电系统领域有广泛的应用。厚PMMA的制备在LIGA技术中已很成熟，液态的PMMA可用模压的方法制备成膜，PMMA非常适合于用反应离子深刻蚀技术进行深刻蚀加工。本发明中首先需要选择合适的掩模材料及其图形化技术。为了获得完整的图形，要求被刻蚀材料和掩膜材料及基底材料之间有很高的刻蚀选择比，这样才能满足深度刻蚀的要求，同时要考虑到掩膜图形化技术的简便与可靠。综合以上因素，本发明中用掩膜电镀的工艺路线来完成掩膜制备及图形化。
(2)用反应离子刻蚀技术并结合侧壁钝化技术对有机玻璃进行深刻蚀，刻蚀的同时对图形侧壁进行保护，避免侧壁钻蚀现象，这也是本发明中最关键的部分。要得到光滑垂直的侧壁，就需要侧壁不发生刻蚀或沉积速率与刻蚀速率相等平衡，然而这很难做到，微结构底部及侧壁都暴露在具有化学活性的等离子体中，在产生垂直刻蚀时必会产生横向化学刻蚀。PMMA是一种高分子聚合物，采用氧气作为刻蚀气体，对PMMA有很高的刻蚀速率。反应离子刻蚀是离子增强的化学刻蚀，它不仅可以有高的刻蚀速率，而且可以有良好的方向性和选择比，当刻蚀深度较深时(≥100μm)侧壁钻蚀就变严重了。本发明基于侧壁钝化(sidewallpassivation)原理，采用侧壁保护膜的方法，通过往刻蚀气体中添加其它气体，即加入钝化气体，使侧壁形成钝化层，在保证底部被刻蚀的同时尽量避免侧壁钻蚀现象，从而得到各向异性图形。
(3)利用反应离子深刻蚀技术对PMMA进行深刻蚀，要使加入的钝化气体在钝化侧壁的同时侧壁不被加厚，必须选择优化刻蚀工艺参数，如气体成分比例、气压、功率、气体流量，使侧壁的钝化速率和刻蚀速率达到平衡，从而使刻蚀图形的侧壁不被钻蚀又不加厚，获得表面平整，侧壁陡直光滑的有机玻璃高深宽比微结构。因为反应离子刻蚀是离子增强化学刻蚀，反应离子刻蚀过程既有物理溅射作用又有化学刻蚀作用。化学刻蚀是各向同性的，物理溅射刻蚀是各向异性的。为了防止化学刻蚀导致的侧壁钻蚀现象，达到各向异性刻蚀效果，需要尽量减小各向同性的化学刻蚀速率，因此刻蚀气压不能太高，通常不超过45mTorr，但也不要太低，否则刻蚀速率太慢，一般调整总气压在30～45mTorr之间；刻蚀温度尽量低，考虑到刻蚀速率，设定刻蚀温度为16℃；另一方面，为了在钝化侧壁的同时侧壁不被加厚，刻蚀气体中钝化气体即CHF3的比例要适当，一般控制在40％～50％之间；功率高有利于各向异性刻蚀，但是考虑到刻蚀速率和有机玻璃导热性，刻蚀功率不要超过50W，否则有机玻璃容易变形；同样，为了保证一定的刻蚀速率，功率也不能太低，一般在30～50mTorr；另外，为了防止有机玻璃散热不好而翘起，每次连续刻蚀时间为30min，暂停10min后接着再刻蚀。基片散热要好，基片若是玻璃，可在基片下面涂一层导电的铟镓层。
本发明的反应离子深刻蚀加工有机玻璃高深宽比微结构的侧壁钝化方法，在反应离子刻蚀有机玻璃的同时利用侧壁钝化技术，即加入钝化气体，调整优化刻蚀工艺参数来保护侧壁不被钻蚀，从而实现有机玻璃高深宽比微结构的加工。刻蚀深度达400μm，深宽比为8～12，图形侧壁陡直。该方法成本低廉，经济实用，可获得深度适用于精度要求不很高的MEMS器件直接加工的模具。
具体实施方式
实施例1
(1)先在清洗干净的有机玻璃试样表面溅射一层15nmCr和85nmCu的种子层，再把有机玻璃片粘贴在玻璃衬底上，待胶固化好后，用切片机对有机玻璃进行铣切，将有机玻璃减薄到设定的厚度，再在有机玻璃上表面溅射一层15nmCr和85nmCu的种子层。
(2)有机玻璃表面甩胶，转速为4000r/min，甩胶30秒，胶厚2μm、接着紫外线曝光20秒，并显影40秒坚膜。
(3)接着进行镍掩模电镀(PH值4.5，电流20mA/cm2，电镀时间10分钟左右)，掩膜厚2μm，用3％KOH溶液去胶，选择性腐蚀Cr/Cu，形成图形化的Ni掩模。
(4)对刻蚀工艺进行优化：具体选定O2和CHF3的混合气体为刻蚀气体，CHF3的比例控制在40％，气体总流量保持为50sccm，刻蚀气体纯度为99.99％，刻蚀气压为30mTorr，功率30W，刻蚀温度14℃，通过优化的刻蚀工艺，最终得到侧壁陡直的微结构图形。
所述的溅射，其工艺参数为：本底真空2.0×10-6mbar，工作气压8.0×10-3mbar，Ar气流量4.8sccm，功率600W。
实施效果：刻蚀深度达180μm，扫描电镜下观察到图形侧壁基本陡直，深宽比为8。但图形底部较模压的PMMA稍微粗糙些。
实施例2
(1)先在清洗干净的有机玻璃试样表面溅射一层15nmCr和85nmCu的种子层，再把有机玻璃片粘贴在玻璃衬底上，待胶固化好后，用切片机对有机玻璃进行铣切，将有机玻璃减薄到设定的厚度，再在有机玻璃上表面溅射一层15nmCr和85nmCu的种子层。
(2)有机玻璃表面甩胶，转速为4000r/min，甩胶30秒，胶厚2.5μm、接着紫外线曝光22秒，并显影45秒坚膜。
(3)接着进行镍掩模电镀(PH值4.5，电流20mA/cm2，电镀时间10分钟左右)，掩膜厚2.3μm，用3％KOH溶液去胶，选择性腐蚀Cr/Cu，形成图形化的Ni掩模。
(4)对刻蚀工艺进行优化：具体选定O2和CHF3的混合气体为刻蚀气体，CHF3的比例控制在45％，气体总流量保持为50sccm，刻蚀气体纯度为99.99％，刻蚀气压为38mTorr，功率40W，刻蚀温度16℃，通过优化的刻蚀工艺，最终得到侧壁陡直的微结构图形。
所述的溅射，其工艺参数为：本底真空2.0×10-6bar，工作气压8.0×103mbar，Ar气流量4.8sccm，功率600W。
实施效果：刻蚀深度400μm，扫描电镜下观察到图形表面光滑，侧壁陡直，深宽比为12。表明在该工艺条件下，可获得深度适用于精度要求不很高的MEMS器件直接加工的模具。
实施例3
(1)先在清洗干净的有机玻璃试样表面溅射一层15nmCr和85nmCu的种子层，再把有机玻璃片粘贴在玻璃衬底上，待胶固化好后，用切片机对有机玻璃进行铣切，将有机玻璃减薄到设定的厚度，再在有机玻璃上表面溅射一层15nmCr和85nmCu的种子层；
(2)有机玻璃表面甩胶，转速为4000r/min，甩胶30秒，胶厚2～3μm、接着紫外线曝光30秒，并显影50秒坚膜。
(3)接着进行镍掩模电镀(PH值4.5，电流20mA/cm2，电镀时间10分钟左右)，掩膜厚3μm，用3％KOH溶液去胶，选择性腐蚀Cr/Cu，形成图形化的Ni掩模。
(4)对刻蚀工艺进行优化：具体选定O2和CHF3的混合气体为刻蚀气体，CHF3的比例控制在50％，气体总流量保持为50sccm，刻蚀气体纯度为99.99％，刻蚀气压45mTorr，功率50W，刻蚀温度18℃，通过优化的刻蚀工艺，最终得到侧壁陡直的微结构图形。
所述的溅射，其工艺参数为：本底真空2.0×10-6mbar，工作气压8.0×10-3mbar，Ar气流量4.8sccm，功率600W。
实施效果：刻蚀深度达300μm，深宽比为10。扫描电镜下观察图形表面虽然不够光滑但侧壁比较陡直。
Claims (9)
1.一种反应离子深刻蚀加工微结构的侧壁钝化方法，其特征在于，采用模压或商品有机玻璃为被刻蚀材料，用镍掩膜电镀的方法实现图形化，以氧气为主刻蚀气体，采用侧壁钝化技术，即往主刻蚀气体中加入40％～50％的CHF3在侧壁形成钝化层，并调整刻蚀气体成分、气压和功率以控制侧壁刻蚀速率，达到侧壁钝化而图形底部被垂直刻蚀的效果。
2.根据权利要求1所述的反应离子深刻蚀加工微结构的侧壁钝化方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)先在清洗干净的有机玻璃试样表面溅射一层Cr和Cu的种子层，再把有机玻璃片粘贴在玻璃衬底上，待胶固化好后，用切片机对有机玻璃进行铣切，将有机玻璃减薄到设定的厚度，再在有机玻璃上表面溅射一层Cr和Cu的种子层；
(2)有机玻璃表面甩胶，接着曝光，并显影坚膜；
(3)接着进行镍掩模电镀，掩膜厚2～3μm，用KOH溶液去胶，选择性腐蚀Cr/Cu，形成图形化的Ni掩模；
(4)进行刻蚀工艺：具体选定O2和CHF3的混合气体为刻蚀气体，CHF3的比例控制在40％～50％之间，气体总流量保持为50sccm，刻蚀气体纯度为99.99％，刻蚀气压30～45mTorr，功率30～50W，刻蚀温度14～18℃，通过刻蚀工艺，最终得到侧壁陡直的微结构图形。
3.根据权利要求2所述的反应离子深刻蚀加工微结构的侧壁钝化方法，其特征是，所述的溅射，其工艺参数为：本底真空2.0×10-6mbar，工作气压8.0×10-3mbar，Ar气流量4.8sccm，功率600W。
4.根据权利要求2所述的反应离子深刻蚀加工微结构的侧壁钝化方法，其特征是，所述的Cr和Cu的种子层，Cr的厚度为15nm，Cu的厚度为85nm。
5.根据权利要求2所述的反应离子深刻蚀加工微结构的侧壁钝化方法，其特征是，所述的甩胶，其转速为4000r/min，时间为30秒，胶厚为2～3μm。
6.根据权利要求2所述的反应离子深刻蚀加工微结构的侧壁钝化方法，其特征是，所述的曝光，是指紫外线曝光20～30秒。
7.根据权利要求2所述的反应离子深刻蚀加工微结构的侧壁钝化方法，其特征是，所述的显影，其时间为40～50秒。
8.根据权利要求1或2所述的反应离子深刻蚀加工微结构的侧壁钝化方法，其特征是，所述的镍掩模电镀，其工艺参数为：PH值4.5，电流20mA/cm2，电镀时间10分钟。
9.根据权利要求2所述的反应离子深刻蚀加工微结构的侧壁钝化方法，其特征是，所述的KOH溶液，其浓度为3％。
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