DRIE技术加工W波段行波管折叠波导慢波结构的研究

李含雁，冯进军，白国栋

(中国电子科技集团公司第12研究所，大功率微波电真空器件技术国防科技重点实验室，北京 100016)

0 引言

目前微波电子器件的频率正在向短毫米波、亚毫米波频段扩展。由于短毫米至亚毫米波的波长缩小到亚毫米甚至接近光波的波长，电子器件的尺寸必然大大缩小，其加工精度要求很高，传统的精密加工方法和器件结构已经不能满足要求。这就需要采用新的加工技术以保证很高的尺寸精度和表面粗糙度。所以，微细加工技术被引入上述频段电子器件(特别是真空电子器件)的工艺中来。其中，深反应离子刻蚀(DRIE)技术是精密制造高频率微型结构的先进方法之一［1］。国外许多太赫兹研究小组已采用深反应离子刻蚀制作了多种真空电子器件，包括谐振腔、电子注通道和输出波导［1，2，3］。

深层反应离子刻蚀技术是一种各相异性高深宽比刻蚀技术，属于干法蚀刻，也叫先进硅蚀刻(ASE，advanced silicon etching)技术，一般都基于电感耦合等离子体(ICP，inductivelycoupled plasma)对硅进行深层加工。和其他 Si的体微加工相比，DRIE技术不依赖于衬底晶向，有着更大的加工自由空间。典型的刻蚀掩膜为SiO2或光刻胶，刻蚀选择比与特定的工艺参数有关，一般来说，SiO2和光刻胶刻蚀选择比分别为150:1和100:1。采用DRIE技术可加工高深宽比的硅结构，这些硅结构作为产生金属结构的模具，或在硅结构上沉积金属薄膜直接用作器件。

汉城国立大学采用两步DRIE技术加工了0.1 THz折叠波导返波振荡器的慢波结构［4］。美国威斯康星大学采用DRIE刻蚀在硅片上制作出400 GHz折叠波导深槽结构［5］。

1 加工技术

所设计的W波段折叠波导慢波结构的主要几何尺寸为波导宽边1.9 mm，窄边0.3 mm，电子注通道横截面为0.45 mm×0.45 mm的矩形。工艺流程如图1所示，包括清洗硅片、光刻工艺、深反应离子刻蚀、去胶、硅片表面溅射金属铜，以及两个半腔的键合。进行实验的样品基底均为4英寸(1英寸=2.54 cm)，n型，＜100＞晶向的单抛硅片，光刻工艺主要目的是在硅片表面形成折叠波导慢波结构的图形，作为深反应离子刻蚀的掩膜，光刻胶厚为14 μm;深反应离子刻蚀在硅基片上形成折叠波导慢波结构，经去胶和硅片表面溅射金属铜形成可用的折叠波导慢波结构的半腔，两个半腔经键合形成完整的折叠波导。

1.1 掩膜制作

在采用DRIE制作以硅为基体的高频微细结构时，可采用多种材料作为掩蔽层。常用的掩蔽层有光刻胶，SiO2，Al和 Si3N4。本实验采用正性光刻胶AZ4620作为掩蔽层。AZ系列的正性光刻胶广泛应用于微细加工中，通常在i线光谱范围内使用，AZ4620光刻胶单次甩胶可达28 μm的光刻胶厚度，具有分辨率高、深宽比大、吸收系数小等优点。

图1 折叠波导慢波结构制作的工艺流程

AZ4620是Clariant公司生产的一种用于微系统制作的正性光刻胶，属于邻重氮醌类化合物，它由光敏混合物PAC、树脂和有机溶剂组成。其中，树脂作为成膜载体、具有很好的碱溶性。而光敏混合物PAC作为抑制剂，能抑制树脂在显影液中的溶解，但它吸收光能后会发生分解，其生成物又作为促进剂能加快树脂在显影液中的溶解。其光化学反应过程为:感光树脂中的邻重氮醌官能团经紫外光照射后发生分解反应，分子空间结构发生重排，使不溶于水的邻重氮醌转化为茚酮。茚酮在碱性显影液中发生反应，生成可溶性的羧酸盐并被溶解掉，而没有被曝光的区域，因不易溶解而保留下来［6，7］。

工艺过程中，考察了不同前烘条件下光刻胶图形的变化情况。前烘温度为110℃，时间分别是80 s、100 s、180 s和300 s，采用 i线(365 nm)接触式曝光方式。显影结果如图2所示。观察光刻胶断面，当前烘时间为100 s、180 s和300 s时，光刻胶断面存在表面抑制效应，表面抑制效应引起的原因包括以下几点，表层光刻胶的氧化，前烘后残留溶剂的浓度梯度。对于厚光刻胶，其前烘温度和时间比薄胶的烘烤温度和时间要长得多，那么在厚光刻胶中，溶剂的浓度梯度相对来说较大，也较难去除，从而导致了显著的表面抑制层。本文采用图2(a)的参数进行W波段折叠波导慢波结构的掩膜制作，制作完成的图形如图3所示。

1.2 深刻工艺

DRIE采用英国STS公司的STS LPX ASETM(Advanced Silicon Etch)系统，STS LPX ASETM系统包括高密度电感耦合等离子体源(13.56 MHz，1.5 kW)及匹配器、下电极射频源(13.56 MHz，300 W)及匹配器、样品传输室、基片承载台和工艺反应室所组成，基片采用静电式夹持，并由氦气进行基片背面冷却，刻蚀系统使用 He、N2、Ar、O2、SF6、C4F8等 6 路气体。DRIE采用“Bosch”工艺，它是通过交替转换刻蚀/钝化气体，即多次重复“刻蚀/聚合钝化边壁”来实现的，其中刻蚀气体为 SF6，钝化气体为 C4F8［8，9］。

1.2.1 刻蚀时间的影响

改变刻蚀和沉积的时间可以改变侧壁形貌和刻蚀速率。时间长短决定哪种反应起主要作用:沉积或刻蚀反应。实验的工艺条件见表1，采用表1中的4(a)～(e)工艺条件所得的结果，如图4所示，参考值为原始ASE的刻蚀时间t0。图4(a)所示深槽的侧壁垂直度为91.87°，图4(b)所示深槽的侧壁垂直度为91.81°，图4(c)所示深槽的侧壁垂直度为90.78°，图4(d)所示深槽的侧壁垂直度为 90.56°，图4(e)所示深槽的侧壁垂直度为91.73°。钝化层的厚度随C4F8沉积时间增加而加厚，如果SF6刻蚀时间太短，以至不能去除较厚的聚合物层时，微掩模效应导致许多针状残留物，如图4(d)所示。随着刻蚀时间增加，更多沉积的聚合物被去除了，同时也意味着侧向刻蚀时间增加了，从而使侧壁垂直度增大。刻蚀时间与沉积时间之比决定刻蚀深度，侧壁粗糙度及侧壁形状。

表1 实验工艺条件

图4 侧壁形貌

1.2.2 下电极功率的影响

选择不同的下电极功率所对应的结果见表2，采用表2中5(a)～(c)工艺条件所得的结果，如图5所示，参考值为原始ASE的下电极功率η。图5(a)所示深槽的侧壁垂直度为90.92°底部两侧有针形的硅残留(也称为长草);而图5(b)所示深槽的侧壁垂直度为91.45°，底部光滑。

施加于下电极的射频功率本质上影响自偏压，以此决定工艺的特性。在实验阶段偏压不能测试，所以只能讨论下电极的变化。如果下电极功率低(意味着较低的自偏压)，离子轰击不显著。与刻蚀相比，钝化聚合物的沉积起主导作用。刻蚀速率随着下电极的降低而急剧降低。如果下电极射频功率增加(意味自偏压增大)，离子轰击能量增强，在刻蚀周期中，底部钝化层快速去除，以致速率提高，侧壁垂直度增大。图5(a)中由于所加的下电极射频功率相对较小，在刻蚀周期中没有完全去除在深槽底部残留的聚合物，残留的聚合物起到微掩模的作用，因而导致针形的硅残留。图5(c)深槽的侧壁垂直度为91.49°，可见加入5%SF6流量的O2没有改善底部长草问题。

1.2.3 折叠波导慢波结构

根据以上各实验结果，经参数优化并进行二次光刻后制作而成的W波段折叠波导慢波结构半腔如图6所示。折叠波导慢波结构半腔放大图如图7所示;其横截面如图8所示，深为946 μm，侧壁垂直度为91°;电子注通道横截面图如9所示，深为225 μm，侧壁垂直度为 90°。

1.3 折叠波导慢波结构半腔表面溅射金属铜

实验中采用磁控射频溅射的方法在折叠波导慢波结构半腔溅射1.5 μm厚度的金属铜。在磁控射频溅射时从阴极逸出的原子和原子团带有能量10～50 eV，这差不多是蒸发工艺原子能量的100倍，这种增加的能量使溅射原子的表面迁移率增加，与蒸发相比，改善了台阶覆盖，这是本实验选用溅射沉积金属铜的主要原因。

溅射得到的Cu表面平整、清洁，具有明亮的金属光泽，膜层附着力强，如图10所示。折叠波导表面沉积金属Cu后的侧壁横截面，如图11所示，侧壁铜层厚度为1.59 μm。本实验接下来的工作将会进一步优化各工艺参数，键合折叠波导的两个半腔，并进行初步的测试。

表2 不同电极功率对应的侧壁垂直度

2 结语

深反应离子刻蚀技术可用于制作太赫兹真空电子器件(包括谐振腔，电子注通道和输出波导等)，尤其是折叠波导慢波结构。在光刻工艺过程中，前烘温度为110℃，时间80 s、采用i线(365 nm)接触式曝光方式，曝光时间为190 s时可得出侧壁垂直较好的光刻胶图形。在DRIE刻蚀工艺中，改变下电极射频电源功率、刻蚀/钝化时间等工艺参数，优化所刻蚀的深槽结构并分析各参数对结果的影响机理。随着刻蚀时间增加，更多沉积的聚合物被去除了，从而使侧壁垂直度增大，刻蚀速率增大。当下电极电压较高时，钝化层在刻蚀周期快速去除，所以刻蚀速率提高，侧壁垂直度增大。本文经各参数优化后获得最佳工艺参数，并制作出带有电子注通道的W波段折叠波导慢波结构，慢波结构深为946 μm，侧壁垂直度为91°，电子注通道深为225 μm，侧壁垂直度为90°。采用磁控溅射的方折叠波导法在W波段折叠波导慢波结构表面沉积金属铜，侧壁铜层厚度为 1.59 μm，底部侧壁铜层厚度约为 0.992 μm，本实验接下来的工作将会进一步优化各工艺参数，键合折叠波导的两个半腔，并进行初步的测试。

［1］ 冯进军，蔡军，胡银富，等.折叠波导慢波结构慢波结构太赫兹真空器件研究［J］.中国电子科学研究院学报，2009，4(3):250-254.

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