高垂直度和低沉積的MEMS陀螺梳齒結(jié)構(gòu)釋放工藝*

梁德春，莊海涵，李新坤，劉福民

(北京航天控制儀器研究所·北京·100039)

0 引 言

硅基材料的刻蝕包括各向同性刻蝕和各向異性刻蝕。對于具有高深寬比特點的硅結(jié)構(gòu)各向異性加工，普遍采用干法刻蝕技術(shù)，該技術(shù)可很好地應(yīng)用于MEMS器件的加工工藝中。由Bosch公司開發(fā)的深硅刻蝕工藝(Bosch工藝)，可將鈍化和刻蝕交替進行，很好地實現(xiàn)高深寬比結(jié)構(gòu)的刻蝕，因而得到了廣泛的研究。M. A. Blauw等人[1]研究了Bosch工藝中鈍化和刻蝕的平衡問題；Catherine B. Labelle等人[2]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，深硅刻蝕過程中鈍化聚合物的沉積速率、成分與鈍化氣體的氣壓、襯底溫度和功率等工藝參數(shù)有關(guān)；張旭[3-4]等人研究了深硅刻蝕過程中的footing效應(yīng)、Lag效應(yīng)、側(cè)壁光滑度和垂直度等形貌問題。

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈用MEMS陀螺儀，對結(jié)構(gòu)垂直度有明確的要求[5]。陀螺芯片的硅結(jié)構(gòu)底部是具有支撐作用的錨點，以在結(jié)構(gòu)層底部形成漏空的區(qū)域。在結(jié)構(gòu)釋放過程中，鈍化聚合物除了會附著在硅結(jié)構(gòu)的側(cè)壁，還會沉積于硅結(jié)構(gòu)下的支撐層表面。由于硅結(jié)構(gòu)下方無法被等離子體刻蝕，聚合物會不斷地沉積。聚合物的存在影響電極的絕緣特性，作為多余物會對器件的可靠性帶來一定的風(fēng)險。為了減小硅結(jié)構(gòu)釋放工藝對器件性能的影響，在保證結(jié)構(gòu)刻蝕垂直度的基礎(chǔ)上，有必要減少刻蝕過程中的聚合物沉積。但到目前為止，沒有對聚合物和形貌兩個因素同時進行研究的報道。

1 原理和試驗

(a)

(b)圖1 Bosch工藝的鈍化過程(a)和刻蝕過程(b)示意圖Fig.1 The scheme of Bosch process for deposition (a) and etching(b)

用于硅結(jié)構(gòu)干法刻蝕試驗的樣品是經(jīng)過陽極鍵合工藝的4英寸(直徑為100mm)硅-玻璃結(jié)構(gòu)，玻璃的上表面沉積金，是支撐層和電極引出層。需要刻蝕的硅結(jié)構(gòu)層的厚度為60μm，硅結(jié)構(gòu)層底部錨點的高度為10μm，圖2是刻蝕結(jié)構(gòu)的橫截面實物圖。區(qū)域A是刻蝕間隙為3μm的梳齒結(jié)構(gòu)，區(qū)域B和C是刻蝕間隙尺寸分別為100μm和200μm的刻蝕區(qū)。

圖2 硅-玻璃結(jié)構(gòu)MEMS陀螺的截面圖Fig.2 The cross-section structure of SOG MEMS gyroscopes

在刻蝕過程中，由于Lag效應(yīng)的存在，大間隙的結(jié)構(gòu)(區(qū)域B和C)優(yōu)先于小間隙的結(jié)構(gòu)(區(qū)域A)完成刻蝕[6]。在大間隙結(jié)構(gòu)刻穿后，鈍化聚合物透過硅結(jié)構(gòu)層底部的漏空區(qū)域在玻璃電極表面不斷附著。利用物鏡為10倍、目鏡為20倍的顯微鏡觀察電極表面鈍化聚合物的形貌；利用臺階儀測量鈍化聚合物的沉積厚度，臺階儀的掃描速率為50μm/s，測量精度為1nm，測量的基準(zhǔn)點為暴露在刻蝕區(qū)域、無聚合物沉積的金表面，測量并記錄鈍化產(chǎn)物的最大厚度值；利用掃描電子顯微鏡對鈍化產(chǎn)物的成分進行定性分析，并對刻蝕結(jié)構(gòu)的垂直度進行測量。

通過優(yōu)化鈍化氣體C4F8的流量、卡盤溫度、刻蝕氣體SF6的流量和鈍化氣體C4F8的壓力，可減少鈍化聚合物的沉積，改進結(jié)構(gòu)垂直度。

2 結(jié)果和分析

2.1 鈍化產(chǎn)物的成分確認(rèn)

利用刻蝕機對硅結(jié)構(gòu)層厚度為60μm的硅-玻璃結(jié)構(gòu)進行釋放。在結(jié)構(gòu)釋放后，將硅結(jié)構(gòu)層剝離掉，與硅結(jié)構(gòu)對應(yīng)的電極表面明顯增加了一層物質(zhì)。利用SEM-EDS方法對電極表面物質(zhì)的成分進行定性分析，表1為成分測試結(jié)果。測試點的成分包括了元素碳、氟和金，3種元素的質(zhì)量百分比分別為24.10%、17.35%、58.55%，原子數(shù)百分比分別為62.38%、28.38%和9.24%。其中，元素金是玻璃電極表面濺射的金屬材料，元素碳和氟是鈍化過程產(chǎn)生的聚合物，碳、氟兩種元素的比例為2.2∶1。

表1 鈍化過程中鈍化產(chǎn)物的成分Tab.1 The composition of deposition polymer during passivation process

2.2 降低鈍化聚合物

在硅結(jié)構(gòu)刻蝕過程中，保持刻蝕/鈍化時間、射頻源功率不變，分別調(diào)節(jié)工藝參數(shù)C4F8氣體流量、卡盤溫度、SF6氣體流量和C4F8氣體壓力。在硅刻蝕后剝離掉硅結(jié)構(gòu)層，并利用臺階儀對電極表面的鈍化聚合物厚度進行測試，測試結(jié)果如圖3(a)～(d)所示。

(a)

(b)

(c)

(d)圖3 鈍化聚合物厚度隨C4F8氣體流量(a)、卡盤溫度(b)、 SF6氣體流量(c)和C4F8氣體壓力(d)的變化Fig.3 The thickness of deposition polymer as the influence of C4F8 flow (a), platen temperature (b), SF6 flow (c) and C4F8 pressure (d)

如圖3(a)所示，改變氣體C4F8的流量由360cm3/min降低至180cm3/min，鈍化聚合物的厚度將由1200nm降低至980nm；如圖3(b)所示，將卡盤溫度由-10℃升高至30℃，鈍化聚合物的厚度將由1200nm降低至270nm；保持C4F8的流量和襯底溫度分別為180cm3/min和30℃不變，調(diào)節(jié)SF6氣體流量和C4F8氣體壓力，鈍化聚合物的厚度將降低至100nm以下，如圖3(c)和圖3(d)所示?？梢?，氣體C4F8的流量和卡盤溫度是影響鈍化聚合物厚度的主要因素，調(diào)節(jié)SF6氣體流量和C4F8氣體壓力對降低聚合物厚度的作用不明顯。

根據(jù)測試結(jié)果，氣體C4F8和SF6的流量對鈍化聚合物厚度的影響不同。鈍化過程為各向同性的工藝過程，氣體C4F8的流量越小，通過擴散沉積在硅結(jié)構(gòu)層底部的鈍化聚合物越少；刻蝕過程為各向異性的工藝過程，離子氣體的垂直方向性好，而擴散能力差。因此，在SF6氣體流量增加時，刻蝕離子對硅結(jié)構(gòu)底部聚合物的去除能力沒有明顯改變。

工藝過程中的襯底溫度由制冷機chiller進行控制。當(dāng)襯底溫度由-10℃升高至20℃時，鈍化聚合物厚度的變化不明顯。當(dāng)溫度升高至30℃時，金屬表面的鈍化聚合物厚度明顯減少，這是由于隨著溫度的升高，鈍化聚合物(CF2)n的脫附率明顯增大所致。

根據(jù)Catherine B. Labelle等人的分析，升高C4F8氣體壓力，沉積速率將降低。如圖3(d)所示，鈍化聚合物厚度隨C4F8氣體壓力的變化無明顯改變，這可能與氣壓設(shè)置范圍有關(guān)。腔室氣體壓力的大小影響等離子體密度，在等離子體密度飽和的情況下，調(diào)節(jié)氣體壓力對鈍化聚合物的多少影響很小。

當(dāng)刻蝕完成后，將硅結(jié)構(gòu)剝離掉并利用顯微鏡觀察電極的表面形貌，如圖4所示。當(dāng)襯底溫度為-10℃、C4F8氣體流量為360cm3/min時，電極表面鈍化聚合物明顯(圖4(a))；減少C4F8氣體流量至50%或提高工藝襯底溫度至30℃，電極表面聚合物顏色變淺(圖4(b)～(c))；同時降低C4F8氣體流量并提高工藝襯底溫度，電極表面顏色均勻，無明顯的聚合物(圖4(d))?？梢?，降低C4F8氣體流量并提高工藝襯底溫度可以減少聚合物，滿足使用要求。

(a)襯底溫度為-10℃，C4F8氣體流量為360cm3/min

(b)襯底溫度為-10℃，C4F8氣體流量為180cm3/min

(c)襯底溫度為30℃，C4F8氣體流量為360cm3/min

(d)襯底溫度為30℃，C4F8氣體流量為180cm3/min圖4 電極表面顯微鏡形貌Fig.4 Themicroscope morphology of electrode surface

2.3 提高結(jié)構(gòu)垂直度

高垂直度硅結(jié)構(gòu)的加工是刻蝕工藝和鈍化工藝達到動態(tài)平衡的過程。影響垂直度的因素包括刻蝕/鈍化周期、極板功率、氣體流量和腔室壓力等工藝參數(shù)[7]。結(jié)合2.2節(jié)中可降低聚合物的工藝參數(shù)的調(diào)整，對刻蝕后的硅結(jié)構(gòu)垂直度進行測量，圖5(a)～圖5(d)是梳齒結(jié)構(gòu)的橫截面SEM結(jié)果。當(dāng)襯底溫度為-10℃、C4F8氣體流量為360cm3/min時，硅結(jié)構(gòu)垂直度為89.9°；降低C4F8氣體流量至180cm3/min時，硅結(jié)構(gòu)垂直度為92.2°，由于保護氣體C4F8的流量過低，硅結(jié)構(gòu)出現(xiàn)各向同性刻蝕，結(jié)構(gòu)邊緣出現(xiàn)削角現(xiàn)象[8]，硅結(jié)構(gòu)上寬下窄；當(dāng)襯底溫度升高至30℃時，硅結(jié)構(gòu)垂直度為89.1°，卡盤溫度升高，硅結(jié)構(gòu)上部的刻蝕能力大于結(jié)構(gòu)底部的刻蝕能力，硅結(jié)構(gòu)上窄下寬；同時提高襯底溫度至30℃并降低C4F8氣體流量至180cm3/min時，刻蝕結(jié)構(gòu)的垂直度為90.0°,達到結(jié)構(gòu)刻蝕的理想狀態(tài)。

(a)襯底溫度為-10℃，C4F8氣體流量為360cm3/min

(b)襯底溫度為-10℃，C4F8氣體流量為180cm3/min

(c)襯底溫度為30℃，C4F8氣體流量為360cm3/min

(d)襯底溫度為30℃，C4F8氣體流量為180cm3/min圖5 梳齒結(jié)構(gòu)的橫截面SEM圖Fig.5 The SEM picture of cross section for comb-shaped structure

3 結(jié) 論

本文優(yōu)化了刻蝕過程的工藝參數(shù)，包括鈍化氣體C4F8的流量、襯底溫度、氣體SF6的流量和鈍化氣體C4F8的壓力。利用臺階儀和掃描電子顯微鏡對玻璃電極表面的鈍化產(chǎn)物厚度和硅刻蝕結(jié)構(gòu)的垂直度進行了測量。影響玻璃電極表面鈍化聚合物厚度的主要工藝參數(shù)是氣體C4F8的流量和襯底溫度。結(jié)合對刻蝕氣體SF6流量的調(diào)節(jié)，獲得了玻璃表面鈍化產(chǎn)物層厚度小于100nm、垂直度為90.0°的硅刻蝕結(jié)構(gòu)，避免了加工過程中引入的多余物，滿足了使用要求。