高垂直度和低沉積的MEMS陀螺梳齒結構釋放工藝*

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構各向異性加工，普遍采用干法刻蝕技術，該技術可很好地應用于MEMS器件的加工工藝中。由Bosch公司開發的深硅刻蝕工藝(Bosch工藝)，可將鈍化和刻蝕交替進行，很好地實現高深寬比結構的刻蝕，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]經研究發現，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有關；張旭[3-4]等人研究了深硅刻蝕過程中的footing效應、Lag效應、側壁光滑度和垂直度等形貌問題。

戰術導彈用MEMS陀螺儀，對結構垂直度有明確的要求[5]。陀螺芯片的硅結構底部是具有支撐作用的錨點，以在結構層底部形成漏空的區域。在結構釋放過程中，鈍化聚合物除了會附著在硅結構的側壁，還會沉積于硅結構下的支撐層表面。由于硅結構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險。為了減小硅結構釋放工藝對器件性能的影響，在保證結構刻蝕垂直度的基礎上，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)

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

圖2 硅-玻璃結構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效應的存在，大間隙的結構(區域B和C)優先于小間隙的結構(區域A)完成刻蝕[6]。在大間隙結構刻穿后，鈍化聚合物透過硅結構層底部的漏空區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，測量的基準點為暴露在刻蝕區域、無聚合物沉積的金表面，測量并記錄鈍化產物的最大厚度值；利用掃描電子顯微鏡對鈍化產物的成分進行定性分析，并對刻蝕結構的垂直度進行測量。

通過優化鈍化氣體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，改進結構垂直度。

2 結果和分析

2.1 鈍化產物的成分確認

利用刻蝕機對硅結構層厚度為60μm的硅-玻璃結構進行釋放。在結構釋放后，將硅結構層剝離掉，與硅結構對應的電極表面明顯增加了一層物質。利用SEM-EDS方法對電極表面物質的成分進行定性分析，表1為成分測試結果。測試點的成分包括了元素碳、氟和金，3種元素的質量百分比分別為24.10%、17.35%、58.55%，原子數百分比分別為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

在硅結構刻蝕過程中，保持刻蝕/鈍化時間、射頻源功率不變，分別調節工藝參數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構層，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，調節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，調節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。

根據測試結果，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構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，刻蝕離子對硅結構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，這可能與氣壓設置范圍有關。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，調節氣體壓力對鈍化聚合物的多少影響很小。

當刻蝕完成后，將硅結構剝離掉并利用顯微鏡觀察電極的表面形貌，如圖4所示。當襯底溫度為-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))?？梢姡档虲4F8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 提高結構垂直度

高垂直度硅結構的加工是刻蝕工藝和鈍化工藝達到動態平衡的過程。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[7]。結合2.2節中可降低聚合物的工藝參數的調整，對刻蝕后的硅結構垂直度進行測量，圖5(a)～圖5(d)是梳齒結構的橫截面SEM結果。當襯底溫度為-10℃、C4F8氣體流量為360cm3/min時，硅結構垂直度為89.9°；降低C4F8氣體流量至180cm3/min時，硅結構垂直度為92.2°，由于保護氣體C4F8的流量過低，硅結構出現各向同性刻蝕，結構邊緣出現削角現象[8]，硅結構上寬下窄；當襯底溫度升高至30℃時，硅結構垂直度為89.1°，卡盤溫度升高，硅結構上部的刻蝕能力大于結構底部的刻蝕能力，硅結構上窄下寬；同時提高襯底溫度至30℃并降低C4F8氣體流量至180cm3/min時，刻蝕結構的垂直度為90.0°,達到結構刻蝕的理想狀態。

(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 梳齒結構的橫截面SEM圖Fig.5 The SEM picture of cross section for comb-shaped structure

3 結 論

本文優化了刻蝕過程的工藝參數，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物厚度和硅刻蝕結構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是氣體C4F8的流量和襯底溫度。結合對刻蝕氣體SF6流量的調節，獲得了玻璃表面鈍化產物層厚度小于100nm、垂直度為90.0°的硅刻蝕結構，避免了加工過程中引入的多余物，滿足了使用要求。