MEMS工藝中氣相腐蝕系統研究現狀

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

MEMS工藝中氣相腐蝕系統研究現狀

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

低能氣相腐蝕；腐蝕速率；MEMS

微電子機械系統（Micro Electro mechanical System， MEMS）是20世紀80年代后期在微電子基礎上發展起來的一門新興應用技術。MEMS是一項革命性的新技術，廣泛應用于高新技術產業，是一項關系到國家科技發展、經濟繁榮和國防安全的關鍵技術。對于傳統的“機械學”來說，MEMS技術對我們的生產生活有深遠的影響［1］。

而MEMS 實現的核心之一是 MEMS 加工技術。

傳統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。而半導體硅微機械加工方法與傳統微電子加工工藝兼容，它對硅基材料進行加工，并利用集成電路的工藝或化學腐蝕方法形成MEMS器件。［2］

隨著微電子技術和半導體工業的迅速發展，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，它是MEMS在各行各業中得以廣泛的應用的重要考核標準。

1.犧牲層技術

犧牲層技術是MEMS中的關鍵技術之一，即在形成微機械結構的空腔或可活動的微結構過程中，先在下層薄膜上用結構材料淀積所需的各種特殊結構件，再用化學刻蝕劑將此層薄膜腐蝕掉，但不損傷微結構件，然后得到上層薄膜結構（空腔或微結構件）。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構，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， 最為關鍵的是腐蝕速率的控制。腐蝕速率對于精確預測腐蝕時間， 避免過腐蝕和節省時間， 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］認為溫度影響了腐蝕速率。 Liu［5］認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

現有技術中，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行浸泡，再用水對硅片進行清洗，最后進行烘干處理。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，極易對環境帶來污染，對操作人員產生傷害。

3.2 干法腐蝕

姜義［6］等在對光刻原理進行研究分析的基礎上，分別對比了干法和濕法腐蝕工藝。研究發現，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）隨之產生。在低能氣相腐蝕中，產品良率、均勻性、產量均大幅度提高。在這項技術里，最為重要的是控制腐蝕速率。通過速率的控制來推測反應結束的時間，也可以避免腐蝕過程中經常出現的不均勻與過量腐蝕的問題。

過量腐蝕對多晶硅的結構層會有嚴重的損害作用， 因此控制腐蝕速率可提高所需產品的性能和效率。 Eaton［7］認為在結構復雜的犧牲層腐蝕模型中，擴散系數是常數。而Monk［8］認為擴散系數會變化，但是在實際計算過程當中，他卻賦予了常數。而實際上， 擴散系數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上提出了一種新穎的雙循環腐蝕模型，通過內外兩個回路的循環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的開發奠定堅實的理論基礎。

圖1為現有的腐蝕系統原理圖，腐蝕氣體直接與腐蝕腔連接，腐蝕氣體連續或間斷的進入腐蝕腔，此種方法最大的問題就是導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循環流動，腐蝕的晶面中心與邊緣的不均勻性，留有水印，產品良率下降，成本增加。

圖1單循環回路腐蝕系統

文獻中設計了一種新穎的雙循環模式，如圖2所示，整個裝置分為兩個回路，內循環和外循環。內循環過程中腐蝕氣體循環流動，腐蝕氣體在腐蝕腔中非常均勻的分布，而外循環在檢測器的監控下，及時補充新鮮腐蝕氣體，排出腐蝕過程中的其它產物。雙回路的創意，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 雙循環回路腐蝕系統

4.結語

近年來，國外在犧牲層腐蝕方面的研究發展很快，很多研究機構紛紛開發出自己產品，然而，國內對此研究幾乎一片空白，幾十年都在使用進口設備，但進口設備價格昂貴，嚴重阻礙國內MEMS產業發展。對此國內一些機構和個人也曾提出了很多解決方案，但由于技術和條件限制，其所作的改進多是差強人意，收效甚微。如今面對MEMS巨大的發展浪潮，國內落后的腐蝕工藝件已經無法與之相適應。研究制作高性能的腐蝕系統成為必然的發展趨勢。

［1］ 李德勝.MEMS技術及其應用.哈爾濱工業大學出版社， 2002.

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

［3］ 吳曉， 周星元.現代制造工程.基于MEMS犧牲層技術的發展現狀.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體激光器的比較研究.長春理工大學碩士學位論文.

［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.

甘肅省科學院青年科技創新基金項目（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與材料化學。通訊作者：左顯維。

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