引言

眾所周知，微機電系統(tǒng)(MEMS)嚴重依賴于集成電路制造中使用的材料，例如單晶硅。然而，由于金屬、玻璃和壓電陶瓷的特殊性質(zhì)，這些材料在MEMS中的使用正在迅速增加。

鈦、鉭、鈮和鉬通常被歸類為稀有金屬，它們中的一些具有特殊的特性，例如生物相容性、耐腐蝕性和高韌性。這些特性使得這些金屬可應(yīng)用于MEMS的各個領(lǐng)域，此外，這使得這些難以蝕刻的材料的深度反應(yīng)離子蝕刻變得有吸引力。

為了使基于微量金屬的MEMS成為傳統(tǒng)硅基器件有競爭力的替代物，我們必須實現(xiàn)高蝕刻速率、高掩模選擇性和高縱橫比。氯氣的使用是使我們能夠?qū)崿F(xiàn)高蝕刻速率的替代方法。

實驗與討論

為了克服不揮發(fā)反應(yīng)產(chǎn)物的問題，我們必須提高這些反應(yīng)產(chǎn)物的溫度?；谶@一想法，英思特提出了一種簡單的熱反應(yīng)離子刻蝕(TRIE)方法。在TRIE中，通過在常規(guī)反應(yīng)離子蝕刻(RIE)系統(tǒng)的陰極上放置自加熱臺來增加蝕刻速率，選擇性地且快速地增加襯底的溫度。

圖1顯示了專門設(shè)計的蝕刻階段(自加熱階段)的概念示意圖。當?shù)入x子體被激活時，該平臺暴露于離子轟擊，并接收來自離子轟擊、射頻(RF)功率和等離子體熱輻射的能量。載物臺的低熱容確保這些能量迅速提高中間部分的溫度。

圖1：蝕刻階段概念圖

圖2展示出了從實驗結(jié)果獲得的溫度分布和加熱特性的模擬結(jié)果的例子。圖2(a)顯示載物臺的溫度可以在僅僅10分鐘內(nèi)升高到大約521K。如圖2(b)所示，臺的中間部分的溫度范圍從525到529K。溫度的均勻性足以進行處理。

圖2：特殊設(shè)計的自熱級的熱響應(yīng)

我們測量了RIE或TRIE處理前后鎳的高度，以及RIE或TRIE處理后少量金屬的處理部分的深度，以計算平均蝕刻速率和選擇性。實驗得出，TRIE的蝕刻速率隨著工作臺的溫度而變化，并且在10分鐘內(nèi)變?yōu)榇蠹s0.6 m/min，這比使用常規(guī)RIE獲得的蝕刻速率高三倍。TRIE的選擇性可以在30分鐘內(nèi)達到約29的值，這比常規(guī)RIE達到的值高得多。

英思特研究發(fā)現(xiàn)TRIE中Ti、Mo和Nb的蝕刻速率比RIE的蝕刻速率高得多，Ta和Ti-6Al-4V的蝕刻速率略高于RIE的蝕刻速率。盡管TRIE對各種微量金屬的作用不同，但它確實大大提高了這些材料的蝕刻速率。

由TRIE工藝產(chǎn)生的底切可以通過調(diào)節(jié)溫度和RF功率來減少，并且蝕刻表面和側(cè)壁粗糙度可以通過添加氬氣和/或C4F8氣體來減少。少量添加原子(Al 6%，V 4 %)使鈦合金難以蝕刻，因為AlF3的沸點很高。然而，并不是所有這些次要金屬的腐蝕速率的差異都可以簡單地用反應(yīng)產(chǎn)物沸騰溫度的差異來解釋。在鉬的情況下，還必須考慮蝕刻產(chǎn)物的化學(xué)種類和結(jié)合能。

結(jié)論

英思特對新設(shè)計的自加熱平臺的熱響應(yīng)進行了評估，研究結(jié)果表明，即使不使用電感耦合等離子體源，也可以使常規(guī)RIE系統(tǒng)更加有效。對鈦、鈦合金、鉬、鉭和鈮的蝕刻特性進行了評估，結(jié)果表明該方法可以大大提高這些次要金屬的蝕刻速率和掩模選擇性。然而，在次要金屬的蝕刻表面和側(cè)壁形狀方面仍然存在一些問題，因此，需要進一步優(yōu)化，例如改善表面粗糙度等。

審核編輯：湯梓紅