蝕刻工藝講解

為了在基板上形成功能性的MEMS結(jié)構(gòu)，必須蝕刻先前沉積的薄膜和/或基板本身。通常，蝕刻過程分為兩類：

浸入化學(xué)溶液后材料溶解的濕法蝕刻

干蝕刻，其中使用反應(yīng)性離子或氣相蝕刻劑濺射或溶解材料

在下文中，我們將簡要討論較流行的濕法和干法蝕刻技術(shù)。

濕蝕刻

這是較簡單的蝕刻技術(shù)。它所需要的只是一個裝有液體溶液的容器，該溶液會溶解所討論的物質(zhì)。不幸的是，由于通常需要掩模來選擇性地蝕刻材料，因此存在復(fù)雜性。必須找到一種掩模，該掩模不會溶解或至少比被圖案化的材料腐蝕得慢得多。其次，某些單晶材料，例如硅，在某些化學(xué)藥品中表現(xiàn)出各向異性刻蝕。與各向同性蝕刻相反，各向異性蝕刻是指材料在不同方向上的蝕刻速率不同。典型的例子是晶面?zhèn)缺?，?dāng)在諸如氫氧化鉀（KOH）的化學(xué)物質(zhì)中蝕刻硅晶片中的孔時出現(xiàn)。結(jié)果是形成了金字塔形的孔，而不是帶有各向同性蝕刻劑的帶有圓形側(cè)壁的孔。下圖說明了各向異性和各向同性濕法蝕刻的原理。

什么時候要使用濕蝕刻？

這是一項簡單的技術(shù)，如果您可以找到適合您的應(yīng)用的蝕刻劑和掩膜材料的組合，將會獲得良好的效果。濕蝕刻對于蝕刻基板上的薄膜非常有效，也可以用于蝕刻基板本身。基板蝕刻的問題在于各向同性工藝將導(dǎo)致掩模層的底切與蝕刻深度相同的距離。各向異性工藝允許蝕刻在襯底中的某些晶體平面上停止，但仍會導(dǎo)致空間損失，因為當(dāng)蝕刻孔或腔時，這些平面不能垂直于表面。如果這對您有限制，則應(yīng)考慮對基板進行干法蝕刻。然而，

如果您要在薄膜上制作非常小的特征（與薄膜厚度相當(dāng)），則各向同性濕法刻蝕也可能會遇到問題，因為底切至少等于薄膜厚度。使用干法蝕刻，幾乎可以直接向下蝕刻而不會產(chǎn)生底切，從而提供了更高的分辨率。

干蝕刻

干蝕刻技術(shù)可分為三類，分別稱為反應(yīng)離子蝕刻（RIE），濺射蝕刻和氣相蝕刻。

在RIE中，將襯底放置在反應(yīng)器內(nèi)部，在其中引入幾種氣體。使用射頻電源將等離子吹入混合氣體中，將氣體分子分解成離子。離子朝著被蝕刻材料的表面加速并在其上反應(yīng)，從而形成另一種氣態(tài)材料。這被稱為反應(yīng)離子蝕刻的化學(xué)部分。還有一個物理部分本質(zhì)上與濺射沉積過程相似。如果離子具有足夠高的能量，它們可以將原子從待蝕刻的材料中剔除，而不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。開發(fā)平衡化學(xué)和物理蝕刻的干法蝕刻工藝是一項非常復(fù)雜的任務(wù)，因為有許多參數(shù)需要調(diào)整。通過改變平衡，有可能影響蝕刻的各向異性，因為化學(xué)部分是各向同性的而物理部分是高度各向異性的，所以該組合可以形成具有從圓形到垂直的形狀的側(cè)壁。下圖顯示了典型的反應(yīng)性離子蝕刻系統(tǒng)的示意圖。

RIE的一個特殊子類（繼續(xù)快速增長）是深度RIE（DRIE）。在此過程中，幾乎垂直的側(cè)壁可以實現(xiàn)數(shù)百微米的蝕刻深度。主要技術(shù)基于所謂的“博世工藝”，以德國公司羅伯特·博世（Robert Bosch）的名字命名，該公司已申請了原始專利，其中在反應(yīng)器中交替使用兩種不同的氣體成分。第一氣體成分在基板的表面上產(chǎn)生聚合物，第二氣體成分蝕刻基板。立即通過蝕刻的物理部分將聚合物濺射掉，但僅在水平表面上而不在側(cè)壁上。由于聚合物僅在蝕刻的化學(xué)部分中溶解非常緩慢，它堆積在側(cè)壁上并保護它們不受蝕刻。結(jié)果，可以實現(xiàn)50：1的蝕刻縱橫比。該工藝可輕松用于完全蝕刻硅襯底，并且蝕刻速率比濕蝕刻高3-4倍。

濺射蝕刻實質(zhì)上是沒有反應(yīng)離子的RIE。所使用的系統(tǒng)在原理上與濺射沉積系統(tǒng)非常相似。較大的不同在于，現(xiàn)在對基板進行了離子轟擊，而不是對濺射沉積中使用的目標(biāo)材料進行了轟擊。

氣相蝕刻是另一種干法蝕刻方法，可以用比RIE所需的設(shè)備更簡單的設(shè)備來完成。在該過程中，將要蝕刻的晶片放置在腔室內(nèi)，在腔室內(nèi)引入一種或多種氣體。在與氣體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程中，待蝕刻的材料溶解在表面。兩種較常見的氣相蝕刻技術(shù)是使用氟化氫（HF）的二氧化硅蝕刻和使用二氟化氙（XeF2）的硅蝕刻，兩者本質(zhì)上都是各向同性的。通常，在氣相工藝的設(shè)計中必須小心，以免在化學(xué)反應(yīng)中形成副產(chǎn)物，副產(chǎn)物在表面凝結(jié)并干擾蝕刻工藝。

什么時候要使用干蝕刻？

您應(yīng)該注意的第一件事是，與濕法蝕刻相比，這種技術(shù)的運行成本很高。如果您關(guān)注薄膜結(jié)構(gòu)的特征分辨率，或者需要垂直側(cè)壁以在基板中進行深蝕刻，則必須考慮干蝕刻。如果您擔(dān)心工藝和設(shè)備的價格，則可能需要較大程度地減少干法蝕刻的使用。長期以來，集成電路行業(yè)一直采用干法刻蝕來實現(xiàn)小的特征，但是在許多情況下，特征尺寸在MEMS中并不那么重要。干蝕刻是使能技術(shù)，有時成本很高。

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關(guān)鍵詞：  平面蝕刻加工  3D腐蝕加工