《炬丰科技-半导体工艺》石英深反应离子刻蚀特性研究
书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：石英深反应离子刻蚀特性研究
编号：JFKJ-21-802
作者：炬丰科技
摘要
本文介绍了我们最近对石英深反应离子刻蚀(DRIE)特性的研究。系统研究了三种不同的刻蚀气体混合物，即SF6/AR、CF4/AR和CHF3/AR，工艺参数包括氩流量比、偏置功率、等离子体功率、腔室气压和气体总流量。此外，在本文介绍的所有实验中，SU-8被用作掩模层而不是金属。我们发现，当选择CF4/Ar和CHF3/Ar气体混合物作为DRIE蚀刻介质时，SU-8是一种有效的替代掩模材料。制作了深度为55 m的微通道，获得了接近垂直的侧壁轮廓(86°)。本文收集的处理数据可为今后石英DRIE的研究工作提供基础参考资料。
介绍
在各种微制造技术中，最常用也是最简单的方法是用氟基溶液湿法蚀刻石英。通过湿法蚀刻，石英材料被等向结构化。对于所制造的结构，不仅难以控制侧壁的宽度，而且微通道的宽度也必须相应地变宽。弯曲的侧壁不允许紫外可见检测器的片内集成。对于平面外集成(垂直集成)，需要使用非常厚的石英衬底的非常长的垂直微通道来获得足够的有效信号，以克服朗伯-比尔定律的限制。
石英和SU8掩模之间的蚀刻选择性可以高达0.34.根据我们的结果，我们已经证明SU-8是DRIE工艺中金属的良好替代掩模材料。本文介绍的系统过程数据库可为其他试图研究石英DRIE的研究小组提供有效的实质性参考。
过程
这项研究准备了标准的实验装置。厚度为550米的石英晶片被切成1厘米× 1厘米的正方形。然后用图案化的SU8 (100米× 1厘米，宽×长)将其掩蔽。用丙酮和异丙醇清洗石英样品后，用去离子水冲洗，直到电阻率超过18 M。然后将样品在200℃的加热板上脱水至少20分钟。然后将晶片冷却至室温。然后以1000转/分钟的速度旋转30秒钟，产生厚度约为90米的安苏-8薄膜。经过曝光电阻最大曝光烘烤(PEB)步骤，SU8-50在丙二醇甲醚中显影醋酸盐(PGMEA)15分钟。显影后，用异丙醇冲洗晶片，并在热板上于100℃干燥，然后放入等离子体反应离子刻蚀机。图2(a)至(g)详细展示了这些过程。样品附着在4英寸的石墨卡盘上，用SF6/氩、CF4/氩和CHF3/氩的反应离子刻蚀气体混合物刻蚀。通过冷却器循环冷却水，蚀刻过程中晶片卡盘的背面温度保持在18℃。
结果和讨论
本节研究了三种气体混合物(SF6/AR、CF4/AR和CHF3/AR)。 该系统以两种模式运行。第一种模式是ICP蚀刻模式。在这种模式下，应用了更高的CCP功率。第二种模式是等离子蚀
刻模式。在这种模式下，使用了较低的偏置功率。图3(b)显示了使用等离子蚀刻模式的典型实验结果。与ICP模式相比，等离子体模式的蚀刻速率较慢，如图3(a)所示。等离子体蚀刻模式同样倾向于诱导各向同性蚀刻；因此，我们将在下面的章节中只讨论在ICP模式下执行的实验结果。
图7示出了石英的蚀刻速率作为从0到590瓦的等离子体功率的函数。在高偏置功率下，对靶衬底的吸引力很大，硅氧键容易断裂，导致刻蚀速率增加。从图中可以看出当将电感耦合等离子体功率增加到590瓦时，在三种不同的情况下(SF6AR、CF4/AR和CHF3/AR，蚀刻速率分别增加到2142安培/分钟1、2544安培/分钟1和1820安培/分钟1。
图8(a)–©显示了使用SF6/氩蚀刻的石英结构的扫描电镜图像。工艺参数列于表2.根据扫描电镜照片，在1.3帕的室压下，8-50的表面非常粗糙。当腔室压力较低时，具有SU8掩模蚀刻选择性的石英降低。这意味着SU8掩模在SF6/氩下以非常快的速度被蚀刻。因此，当使用SU8作为掩模时，将SF6/氩等离子体应用于石英干法蚀刻可能不是最佳选择。
结论
本文给出了石英DRIE特性的实验结果。系统研究了三种不同的刻蚀气体混合物，即SF6/AR、CF4/AR和CHF3/AR，以及工艺参数如氩流量比、偏置功率、等离子体功率、腔室气压和气体总流量。此外，在整个实验过程中，我们使用SU-8代替金属作为掩膜层。当选择CF4/Ar和CHF3/Ar的气体混合物作为DRIE蚀刻介质时，我们发现SU-8是值得注意的替代掩模材料。实现了深度为55 m且侧壁轮廓接近垂直(86°)的微通道。本文收集的过程数据库可以作为其他研究石英DRIE的研究小组的初步参考。
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