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体微加工技术—时分复用深刻蚀

下一节:体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)

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体微加工技术—时分复用深刻蚀课程教案、知识点、字幕

我们首先来看

目前广泛使用的时分复用法的刻蚀原理

所谓的时分复用法

是一个把刻蚀和保护所结合在一起的

一个刻蚀过程

我们首先来看当你刻蚀的过程中

我们采用六氟化硫作为刻蚀气体

那么六氟化硫是一种典型的

等离子体刻蚀过程

它的刻蚀基本上是各向同性的

所以在第一次刻蚀的过程中

我们在沿着深度方向

有一定的刻蚀结果的时候

也会沿着水平方向产生一定的刻蚀

如果这个刻蚀持续下去

我们没办法得到一个高深宽比的结构

所以在1996年的时候

博世提出了一种

将各向同性刻蚀转化为各向异性刻蚀的办法

就是在进行一个很短的各向同性刻蚀以后

将各向同性刻蚀的气体

也就是六氟化硫先停下来

通入另外一种四碳八氟

这样的一种气体

那么这种气体通入以后

它会在等离子体的作用下

在整个刻蚀的物体的表面

包括上表面形成一层类似于

特氟龙一样的保护层

这种材料能够抑制六氟化硫

对硅的刻蚀

如果仅仅停留到这儿

我们也没办法获得一个高深宽比的结构

那么在保护周期进行几秒以后

我们把保护气体停下来

进一步再次通入六氟化硫

那么第二次通入的六氟化硫

它既有刻蚀的游离基

也有离子存在

离子在加速电场的作用下

会轰击衬底的表面

由于离子轰击具有很强的方向性

它会使得第一次刻蚀结构

暴露出来的衬底表面上的保护层

被离子轰击去除

而侧壁由于离子的方向性

没办法打击到侧壁

所以在刻蚀的过程中

侧壁的材料会留下来

这时候也就是在原来刻蚀结构的底部

又一次开口出一个硅的表面

那么这个时候

就可以再利用六氟化硫进行第二次刻蚀

那么第二次刻蚀结束以后

再进行第二次的保护

同样形成一层表面的保护层

那么把刻蚀和保护

这样的一个过程不断的重复

就形成了一个

由多次各向同性刻蚀所组成的

各向异性刻蚀的结构

换句话说

把原来每一次所获得的

一个各向同性的刻蚀周期的

叠加起来以后

我们就得到了一个各向异性的刻蚀

那么这种各向异性刻蚀

有非常多的参数来评价它的刻蚀性能

这里边包括刻蚀的速率

刻蚀的均匀性以及RIE的延迟

刻蚀的选择比

侧壁的粗糙度以及垂直度等等很多参数

我们在后面会分别介绍

这些参数的影响因素

首先需要跟大家强调一点的是

对于博世的时分复用刻蚀技术

由于它包括了刻蚀周期

包括了保护周期

因此刻蚀周期和保护周期内

所有的参数都会对刻蚀结构

产生一定的影响

同时留给保护周期的工艺窗口

也是比较窄的

在这样的一个情况下

要进行良好的优化需要对所有的刻蚀因素

所产生的影响有一个深入的理解

并且进行多次的实验

根据设备的情况

才能获得一个很好的刻蚀结果

我们利用这两幅图来说明

保护周期的因素对刻蚀结果的一些影响

比如这幅图

是随着保护气体流量

也就是C4F8气体流量的增加

那么刻蚀速率的变化因素

我们可以看出来

对于保护周期是5秒钟这样的一个情况

那么随着保护气的流量不断增加

当达到50个SCCM的时候

那么刻蚀就没办法进行了

同样对于更小的保护周期

那么流量会更低

下面这幅图给大家看到的是

随着保护时间的变化

那么不同的气体流量

得到的是各向同性蚀还是各向异性刻蚀

这样的一个结果

我们可以看出来

对于一个给定的保护时间比如说5秒

那么

只在对应大概将近40个SCCM的时候

我们能够把各向同性刻蚀和

薄膜沉积区分开来

所以对于保护气体来讲

这个窗口是比较窄的

由于刻蚀过程涉及到刻蚀周期和

保护周期

而每一个周期都又涉及到多个参数

所以对于优化

反应离子深刻蚀来讲

这个过程是比较复杂的

我们来看

对于刻蚀速率它受到刻蚀气体的流量

保护气体的流量

刻蚀周期 保护周期的时间比

刻蚀腔里的压强 线圈功率

偏压功率以及快速气阀的开关时间等等

都有关系

再来看横向

一个刻蚀气体流量的变化

可以导致刻蚀速率侧壁粗糙度

以及侧壁的弯曲

以及长草现象

和光刻胶的选择比等等不同因素

都会发生变化

因此这些参数相互影响

牵一发而动全身

改变了一个参数

在获得一种效果的同时

有可能带来负面的影响

因此需要很多参数同时调整

一般情况下

我们会给一个时分复用刻蚀技术的

一个基础工艺参数

那么以这个基础工艺参数

作为出发点

可以对不同的需求进行优化

我们来看对于刻蚀

通常来讲六氟化硫的流量

在100个SCCM左右

刻蚀时间9秒到16秒左右

那么气压基本上是1到10个毫托

功率射频功率是300到1200瓦

那么加速电极的功率

是10到150瓦左右

那么保护周期

我们主要的关心是

C4F8它的流量

一般我们会给30到150个SCCM

那么保护时间大概是5到7秒

我们需要注意的是

为了使刻蚀和保护过程平稳有序的过度

在气体切换的过程中

我们一般会延迟上一种气体

再给一定的流量时间

那么让二者有一个混合气的出现

以保证刻蚀过程的稳定

由于刻蚀以后

会在侧壁存在一层类似特氟龙的薄膜

那么这种薄膜

对有些器件的性能可能会产生影响

因此我们可以考虑

采用一些湿法或者干法的办法

在刻蚀以后

将表面残余的特氟龙薄膜去除掉

时分复用反应离子刻蚀工艺优化的时候

我们需要对影响刻蚀的因素

进行一个深入的了解

在这里边

我们首先从刻蚀的均匀性开始

对于所谓的刻蚀均匀性

我们是指在相同的刻蚀结构

位于硅片的不同位置

它刻蚀速率不一样的这样一种现象

引起这一现象最本质的原因是

刻蚀成分的不均匀性所造成的

因此如果想提高刻蚀的均匀性

我们必须从设备和工艺的角度

来进一步的优化

使整个刻蚀的反应物

在圆片上能够分布的更加均匀

我们来看

对于刻蚀气体 温度 功率的均匀性

那么我们可以通过来增加气体的流量

提高射频功率

同时提高腔体的压强

以及对刻蚀下级板

也就是阴极

它的温度均匀性和

线圈的功率均匀性进行控制

同时我们来减小SF6的流量

增大CCF8的流量

也可以提高刻蚀的均匀性

那么除此以外受负载的影响也很大

在负载比较低

也就是刻蚀的面积比较小的地方

它的刻蚀速率会比较高

在负载比较大

也就是刻蚀面积比较大的区域

它的刻蚀速率会比较低

所以我们在设计的过程中

也要充分考虑这样的一些特点

另外还有位置的影响

由于等离子体

是靠线圈耦合能量所产生的

在靠近线圈的地方

等离子的密度就比较高

在远离线圈的地方

等离子的密度就比较低

那么在设备的实际使用中

会表现在

刻蚀硅片的中心的刻蚀速率比较低

而圆片周围的刻蚀速率会比较高

同时

我们也会发现在刻蚀的周期中

加入少量的氧气

有利于提高刻蚀的均匀性

同时也还有一些其他的效果

但是增加氧气

会降低对光刻胶的选择比

同时也会影响刻蚀的速度

刻蚀的选择比

是反应离子深刻蚀所必须考虑的

另一个重要的因素

由于深刻蚀的深度都比较大

刻蚀时间比较长

因此对于薄膜材料的刻蚀选择比

也就是掩膜的选择比就显得非常重要

通常情况下在室温下进行的刻蚀

光刻胶的选择比能达到50比1左右

随着光刻胶厚度的不断发展

有可能在采用几十微米

甚至于上百微米

厚的光刻胶 一次实现

对几百微米厚的硅片

进行深刻蚀的掩膜

那么除了光刻胶以外

常用的掩膜材料

还包括二氧化硅和金属

二氧化硅和金属与光刻胶相比

它的刻蚀掩膜选择比会更高

比如说二氧化硅

在室温下可以达到100比1

甚至于200比1

那么金属比如说铝或者金

那么它的刻蚀速率是非常非常低的

几乎可以认为它不会被刻蚀

因此可以获得更高的选择比

但是使用二氧化硅和

金属带来的一个问题就是

我们需要去进行一次二氧化硅和

金属的沉积

然后还需要一次刻蚀

这样才能够以二氧化硅

或者金属作为硬掩膜来实现刻蚀

因此

在光刻胶能够实现掩膜选择比的情况下

我们通常

不采用二氧化硅和金属作为刻蚀的掩膜

为了改善选择比

我们通常会降低离子轰击的功率

和电压

由于离子轰击对材料的刻蚀

没有选择性

因此对硅和光刻胶的刻蚀

是同时进行的

降低了离子轰击的电压

就可以提高选择比

刻蚀的过程中

会产生非常明显的非理想的问题

比如这幅图给大家看到的是

一个非常理想的刻蚀结果

对于不同的刻蚀宽度

我们获得了相同的刻蚀深度

并且在刻蚀的开口和终结的地方

结构都非常理想

然而实际上在刻蚀的过程中

会出现这样那样的问题

比如说一个常见的问题就是

刻蚀结构的侧壁并不是垂直于衬底

而是有一定的倾斜角度

同时在掩膜开口的下方

出现了一定程度的横向刻蚀

这个结构表现为一定的不规则结构

为了避免这样的结果

而形成这样的一个刻蚀

我们需要在很多方面进行优化

第一个方面

我们如何去抑制侧壁的起伏

由于时分复用法的刻蚀原理

是将多次的各向同性刻蚀叠加以后

转化为各向异性的

所以每一次刻蚀

都是一个各向同性的结果

多次叠加以后

我们就会得到侧壁看上去

类似于贝壳表面这样的一个起伏

这个起伏的大小

通常在50到150纳米左右的水平

为了抑制这个起伏

我们需要从好几个方面去着手考虑

首先是一个优化参数

其次我们还可以进行刻蚀后的处理

所谓的优化参数

我们可以直观的理解

如果降低每一次刻蚀的时间

会使各向同性刻蚀的程度

不那么明显

这样多次叠加以后

侧壁起伏就会得到抑制

但是降低刻蚀时间

会影响刻蚀速度

所以这是它的负面影响

另外我们可以通过增大偏置电压

来增强各向异性

但是又会影响到了与刻蚀掩膜的选择比

另外我们还可以增大功率和压强比

功率和压强比是一个不同单位的比值

有不同的研究表明

增大功率和压强比

可以进一步减小侧壁起伏

另外我们也可以在刻蚀以后

进行刻蚀后的处理

刻蚀后的处理包括

湿法或者干法的刻蚀

比如说我们前面讲过的

湿法的酸性或者碱性刻蚀技术

在短时间内的漂洗

可以将突出的侧壁起伏把它消除掉

另外 也有研究表明

在刻蚀中增加少量的氧气

可以抑制侧壁的起伏大小

但是它的反面影响

就是它会降低选择比和刻蚀速度

MEMS与微系统课程列表:

第一章 概述

-第1小节 MEMS的定义

--MEMS的定义

-第1小节 MEMS的定义--作业

-第2小节 MEMS的应用领域

--MEMS的应用领域

-第2小节 MEMS的应用领域--作业

-第3小节 MEMS的发展

--MSMS的发展

-第3小节 MEMS的发展--作业

-第4小节 MEMS的发展(续)

--MEMS的发展(续)

-第4小节 MEMS的发展(续)--作业

第二章 微系统基本理论—基础力学与基本物理

-第1小节 应力和应变

--应力与应变

-第1小节 应力和应变--作业

-第2小节 弹性梁

--弹性梁

-第2小节 弹性梁--作业

-第3小节 弹性梁(续)

--弹性梁(续)

-第3小节 弹性梁(续)--作业

-第4小节 薄板与流体的基本概念

--薄板与流体的基本概念

-第4小节 薄板与流体的基本概念--作业

-第5小节 流体的基本概念(续)

--流体的基本概念(续)

-第5小节 流体的基本概念(续)--作业

-第6小节 静电力

--静电力

-第6小节 静电力--作业

-第7小节 尺寸效应

--尺寸效应

-第7小节 尺寸效应--作业

第三章 微系统制造技术I—光刻与体微加工技术

-第1小节 MEMS光刻技术

--MEMS光刻技术

-第1小节 MEMS光刻技术--作业

-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀

--体微加工技术—各向同性湿法刻蚀

-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀--作业

-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀

--体微加工技术—各向异性湿法刻蚀

-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀--作业

-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)

--体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)

-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)--作业

-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀

--体微加工技术—干法刻蚀

-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀--作业

-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀

--体微加工技术—时分复用深刻蚀

-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀--作业

-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)

--体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)

-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)--作业

-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀

-- 体微加工技术—稳态深刻蚀

-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀--作业

-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用

--体微加工技术—稳态深刻蚀--作业

-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用--作业

第三章 微系统制造技术II—表面微加工技术

-第1小节 表面微加工技术概述

-- 表面微加工技术概述

-第1小节 表面微加工技术概述--作业

-第2小节 表面微加工技术的几个问题

--表面微加工技术的几个问题

-第2小节 表面微加工技术的几个问题--作业

-第3小节 表面微加工代工工艺

--表面微加工代工工艺

-第3小节 表面微加工代工工艺--作业

-第4小节 表面微加工的应用

--表面微加工的应用

-第4小节 表面微加工的应用--作业

-第5小节 厚结构层技术

-- 厚结构层技术

-第5小节 厚结构层技术--作业

第三章 微系统制造技术III—键合

-第1小节 键合概述与直接键合

-- 键合概述与直接键合

-第1小节 键合概述与直接键合--作业

-第2小节 阳极键合与聚合物键合

--阳极键合与聚合物键合

-第2小节 阳极键合与聚合物键合--作业

-第3小节 金属键合与键合设备

-- 金属键合与键合设备

-第3小节 金属键合与键合设备--作业

第三章 微系统制造技术IV—集成与封装

-第1小节 工艺集成

-- 工艺集成

-第1小节 工艺集成--作业

-第2小节 系统集成

--系统集成

-第2小节 系统集成--作业

-第3小节 单芯片集成与多芯片集成

--单芯片集成与多芯片集成

-第3小节 单芯片集成与多芯片集成--作业

-第4小节 三维集成

--三维集成

-第4小节 三维集成--作业

-第5小节 MEMS封装

--MEMS封装

-第5小节 MEMS封装--作业

-第6小节 MEMS封装(续)

--MEMS封装(续)

-第6小节 MEMS封装(续)--作业

第四章 微型传感器I—传感器的敏感机理

-第1小节 概述

--概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 压阻传感器

--压阻传感器

-第2小节 压阻传感器--作业

-第3小节 电容传感器与压电传感器

--电容传感器与压电传感器

-第3小节 电容传感器与压电传感器--作业

-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器

--谐振传感器与遂穿传感器

-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器--作业

第四章 微型传感器Ⅱ—压力传感器

-第1小节 压力传感器

--压力传感器

-第1小节 压力传感器--作业

-第2小节 压阻式压力传感器

-- 压阻式压力传感器

-第2小节 压阻式压力传感器--作业

-第3小节 压阻式压力传感器(续)

--压阻式压力传感器(续)

-第3小节 压阻式压力传感器(续)--作业

-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器

--电容式压力传感器与谐振式压力传感器

-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器--作业

-第5小节 硅微麦克风

--硅微麦克风

-第5小节 硅微麦克风--作业

第四章 微型传感器Ⅲ—惯性传感器

-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述

--惯性传感器与加速度传感器概述

-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述--作业

-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器

--压阻式与电容式加速度传感器

-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器--作业

-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器

--电容式与热传导式加速度传感器

-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器--作业

-第4小节 微机械陀螺概述

--微机械陀螺概述

-第4小节 微机械陀螺概述--作业

-第5小节 典型微机械陀螺

--典型微机械陀螺

-第5小节 典型微机械陀螺--作业

-第6小节 典型微机械陀螺(续)

--典型微机械陀螺(续)

-第6小节 典型微机械陀螺(续)--作业

-第7小节 模态解耦合

--模态解耦合

-第7小节 模态解耦合--作业

第五章 微型执行器

-第1小节 执行器概述

--执行器概述

-第1小节 执行器概述--作业

-第2小节 静电执行器—平板电容执行器

--静电执行器—平板电容执行器

-第2小节 静电执行器—平板电容执行器--作业

-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)

--静电执行器—平板电容执行器(续)

-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)--作业

-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器

--静电执行器—叉指电容执行器

-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器--作业

-第5小节 热执行器

--热执行器

-第5小节 热执行器--作业

-第6小节 压电执行器和磁执行器

-- 压电执行器和磁执行器

-第6小节 压电执行器和磁执行器--作业

第六章 RF MEMS

-第1小节 RF MEMS概述

-- RF MEMS概述

-第1小节 RF MEMS概述--作业

-第2小节 MEMS开关I

--MEMS开关I

-第2小节 MEMS开关I--作业

-第3小节 MEMS开关II

--MEMS开关II

-第4小节 MEMS开关III

--MEMS开关III

-第4小节 MEMS开关III--作业

-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器

--MEMS谐振器—梳状谐振器

-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器--作业

-第6小节 MEMS谐振器—板式谐振器

--MEMS谐振器—板式谐振器

-第7小节 MEMS谐振器的制造

--MEMS谐振器的制造

-第7小节 MEMS谐振器的制造--作业

第七章 光学MEMS

-第1小节 光学MEMS概述

-- 光学MEMS概述

-第1小节 光学MEMS概述--作业

-第2小节 MEMS光开关I

--MEMS光开关I

-第2小节 MEMS光开关I--作业

-第3小节 MEMS光开关II

-- MEMS光开关II

-第3小节 MEMS光开关II--作业

-第4小节 影像再现I—反射器件

-- 影像再现I—反射器件

-第4小节 影像再现I—反射器件--作业

-第5小节 影像再现II—衍射器件

--影像再现II—衍射器件

-第5小节 影像再现II—衍射器件--作业

-第6小节 影像再现III—干涉器件

--影像再现III—干涉器件

-第6小节 影像再现III—干涉器件--作业

第八章 微流体与芯片实验室

-第1小节 概述

-- 概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 软光刻技术

--软光刻技术

-第2小节 软光刻技术--作业

-第3小节 微流体输运

--微流体输运

-第3小节 微流体输运--作业

-第4小节 微流体输运(续)

--微流体输运(续)

-第4小节 微流体输运(续)--作业

-第5小节 试样处理

--试样处理

-第5小节 试样处理--作业

-第6小节 试样处理(续)

--试样处理(续)

-第7小节 检测技术

--检测技术

-第8小节 微流体应用

--微流体应用

-第8小节 微流体应用--作业

-第9小节 微流体应用(续)

--微流体应用(续)

-第9小节 微流体应用(续)--作业

第九章 BioMEMS

-第1小节 概述

--概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器

--药物释放 神经探针 生物传感器

-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器--作业

-第3小节 可穿戴与可植入微系统

--可穿戴与可植入微系统

-第3小节 可穿戴与可植入微系统--作业

体微加工技术—时分复用深刻蚀笔记与讨论

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