胡艷琴 馮治祺 何 欣 馬宏偉 張紅霞 王寧寧 左顯維甘肅省科學(xué)院傳感技術(shù)研究所

MEMS工藝中氣相腐蝕系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

胡艷琴 馮治祺 何 欣 馬宏偉 張紅霞 王寧寧 左顯維甘肅省科學(xué)院傳感技術(shù)研究所

低能氣相腐蝕；腐蝕速率；MEMS

微電子機械系統(tǒng)（Micro Electro mechanical System， MEMS）是20世紀(jì)80年代后期在微電子基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興應(yīng)用技術(shù)。MEMS是一項革命性的新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是一項關(guān)系到國家科技發(fā)展、經(jīng)濟(jì)繁榮和國防安全的關(guān)鍵技術(shù)。對于傳統(tǒng)的“機械學(xué)”來說，MEMS技術(shù)對我們的生產(chǎn)生活有深遠(yuǎn)的影響［1］。

而MEMS 實現(xiàn)的核心之一是 MEMS 加工技術(shù)。

傳統(tǒng)的加工方法的研究重點是超精密機械加工，著重研究機械加工的微型化。而半導(dǎo)體硅微機械加工方法與傳統(tǒng)微電子加工工藝兼容，它對硅基材料進(jìn)行加工，并利用集成電路的工藝或化學(xué)腐蝕方法形成MEMS器件。［2］

隨著微電子技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的迅速發(fā)展，將不同的器件集成在一起成為一種必然趨勢，那必然需要犧牲層腐蝕技術(shù)，它是MEMS在各行各業(yè)中得以廣泛的應(yīng)用的重要考核標(biāo)準(zhǔn)。

1.犧牲層技術(shù)

犧牲層技術(shù)是MEMS中的關(guān)鍵技術(shù)之一，即在形成微機械結(jié)構(gòu)的空腔或可活動的微結(jié)構(gòu)過程中，先在下層薄膜上用結(jié)構(gòu)材料淀積所需的各種特殊結(jié)構(gòu)件，再用化學(xué)刻蝕劑將此層薄膜腐蝕掉，但不損傷微結(jié)構(gòu)件，然后得到上層薄膜結(jié)構(gòu)（空腔或微結(jié)構(gòu)件）。由于被去掉的下層薄膜只起分離層作用，故稱其為犧牲層。利用犧牲層可制造出多種活動的微結(jié)構(gòu)，如微型橋、懸臂梁及懸臂塊等。［3］

2.腐蝕速率

在犧牲層腐蝕的過程中， 最為關(guān)鍵的是腐蝕速率的控制。腐蝕速率對于精確預(yù)測腐蝕時間， 避免過腐蝕和節(jié)省時間， 從而可以將MEMS 器件加工的效率提高。影響腐蝕速率的因素特別多， Kern［4］認(rèn)為溫度影響了腐蝕速率。 Liu［5］認(rèn)為溫度的升高會加快腐蝕速率，腐蝕液濃度加大，腐蝕速率自然會提高。還有一些因素，摻雜程度、腐蝕液組分、犧牲層種類及厚度等等都將影響腐蝕速率。

3.腐蝕方法

3.1 濕法腐蝕

現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用濕法腐蝕的方法去除犧牲層，即通過人工操作將硅片放入到裝有腐蝕液的容器中進(jìn)行浸泡，再用水對硅片進(jìn)行清洗，最后進(jìn)行烘干處理。眾所周知，濕法腐蝕選擇性較差，容易造成粘連現(xiàn)象和表面玷污，且所使用的大量腐蝕液具有劇毒性，極易對環(huán)境帶來污染，對操作人員產(chǎn)生傷害。

3.2 干法腐蝕

姜義［6］等在對光刻原理進(jìn)行研究分析的基礎(chǔ)上，分別對比了干法和濕法腐蝕工藝。研究發(fā)現(xiàn)，濕法腐蝕的微表面非常光滑，但垂直刻蝕深度不好。而干法腐蝕的微表面垂直性好，但表面不平整。

3.3低能氣相腐蝕

為解決濕法腐蝕中存在的種種問題，低能氣相腐蝕（無需額外能量與離子轟擊的氣相腐蝕）隨之產(chǎn)生。在低能氣相腐蝕中，產(chǎn)品良率、均勻性、產(chǎn)量均大幅度提高。在這項技術(shù)里，最為重要的是控制腐蝕速率。通過速率的控制來推測反應(yīng)結(jié)束的時間，也可以避免腐蝕過程中經(jīng)常出現(xiàn)的不均勻與過量腐蝕的問題。

過量腐蝕對多晶硅的結(jié)構(gòu)層會有嚴(yán)重的損害作用， 因此控制腐蝕速率可提高所需產(chǎn)品的性能和效率。 Eaton［7］認(rèn)為在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的犧牲層腐蝕模型中，擴散系數(shù)是常數(shù)。而Monk［8］認(rèn)為擴散系數(shù)會變化，但是在實際計算過程當(dāng)中，他卻賦予了常數(shù)。而實際上， 擴散系數(shù)不僅受到溫度的影響，還受到濃度的影響。

Hong qinshi［9］等在前人腐蝕理論基礎(chǔ)上提出了一種新穎的雙循環(huán)腐蝕模型，通過內(nèi)外兩個回路的循環(huán)控制腐蝕氣體濃度的一致性，并研究腐蝕速率控制理論，最終獲得理想的腐蝕效果，也可為高效能腐蝕系統(tǒng)的開發(fā)奠定堅實的理論基礎(chǔ)。

圖1為現(xiàn)有的腐蝕系統(tǒng)原理圖，腐蝕氣體直接與腐蝕腔連接，腐蝕氣體連續(xù)或間斷的進(jìn)入腐蝕腔，此種方法最大的問題就是導(dǎo)致腐蝕速率不能夠保持恒定，不能保證腐蝕氣體在腐蝕腔內(nèi)循環(huán)流動，腐蝕的晶面中心與邊緣的不均勻性，留有水印，產(chǎn)品良率下降，成本增加。

圖1單循環(huán)回路腐蝕系統(tǒng)

文獻(xiàn)中設(shè)計了一種新穎的雙循環(huán)模式，如圖2所示，整個裝置分為兩個回路，內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)。內(nèi)循環(huán)過程中腐蝕氣體循環(huán)流動，腐蝕氣體在腐蝕腔中非常均勻的分布，而外循環(huán)在檢測器的監(jiān)控下，及時補充新鮮腐蝕氣體，排出腐蝕過程中的其它產(chǎn)物。雙回路的創(chuàng)意，可以在最大程度上減少水印，有效的提高芯片的制作效率。

圖2 雙循環(huán)回路腐蝕系統(tǒng)

4.結(jié)語

近年來，國外在犧牲層腐蝕方面的研究發(fā)展很快，很多研究機構(gòu)紛紛開發(fā)出自己產(chǎn)品，然而，國內(nèi)對此研究幾乎一片空白，幾十年都在使用進(jìn)口設(shè)備，但進(jìn)口設(shè)備價格昂貴，嚴(yán)重阻礙國內(nèi)MEMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展。對此國內(nèi)一些機構(gòu)和個人也曾提出了很多解決方案，但由于技術(shù)和條件限制，其所作的改進(jìn)多是差強人意，收效甚微。如今面對MEMS巨大的發(fā)展浪潮，國內(nèi)落后的腐蝕工藝件已經(jīng)無法與之相適應(yīng)。研究制作高性能的腐蝕系統(tǒng)成為必然的發(fā)展趨勢。

［1］ 李德勝.MEMS技術(shù)及其應(yīng)用.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 2002.

［2］ 張永華， 丁桂甫， 李永海.MEMS的犧牲層技術(shù)［J］.微納電子技術(shù)， 2005（2）： 73-77.

［3］ 吳曉， 周星元.現(xiàn)代制造工程.基于MEMS犧牲層技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀.2007（9）： 86-88.

［4］ Werner Kern.Proceedings of the Symposium on Etching for Pattern Def inition.The Electrochemical Society.1976： 1-18.

［5］ Liu J， Tai Y C， Lee J， Pong K C， Zohar Yan d Ho C H.Insitu Monitoring and Universal Modeling of Sacrificial Etching Using Hydro fluoric Acid［C］.In： Proceedings of Micro Mechanical Systems， IEEE.1993： 71- 76.

［6］ 姜義.干法和濕法腐蝕制作脊型半導(dǎo)體激光器的比較研究.長春理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.

［7］ Eat on W P， J arecki R L， Smith J H.Prediction of release etchtimes for surface micro machined structures.Internati on al Conference on Solid State Sensors and Actuators， 1997（1）：249-251.

［8］ Ouborg W J， Myung N， Nobe K， et al.Effect of etches on the performance of ferromagnetic MEMS.Elect chemical Society Proceedings， 2002（27）： 201-203.

［9］ Shi et al， United States Patent Application Publication.Pub.No.： US 2005/0020089 A1.

甘肅省科學(xué)院青年科技創(chuàng)新基金項目（2012QN-05，2014QN-18）

胡艷琴（1982-）女，山西文水人，碩士，助理研究員，研究方向為物理化學(xué)與材料化學(xué)。通訊作者：左顯維。

本文介紹了氣相腐蝕系統(tǒng)，著重于低能氣相腐蝕，其新穎的雙循環(huán)模式，可保證腐蝕速率隨時間維持恒定以提高腐蝕質(zhì)量和效率，也可解決低能氣相腐蝕系統(tǒng)中腐蝕不均勻、過腐蝕和表面玷污等關(guān)鍵問題。