MEMS工艺中气相腐蚀系统研究现状

胡艳琴 冯治祺 何 欣 马宏伟 张红霞 王宁宁 左显维甘肃省科学院传感技术研究所

MEMS工艺中气相腐蚀系统研究现状

胡艳琴 冯治祺 何 欣 马宏伟 张红霞 王宁宁 左显维甘肃省科学院传感技术研究所

低能气相腐蚀；腐蚀速率；MEMS

微电子机械系统（Micro Electro mechanical System， MEMS）是20世纪80年代后期在微电子基础上发展起来的一门新兴应用技术。MEMS是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术。对于传统的“机械学”来说，MEMS技术对我们的生产生活有深远的影响［1］。

而MEMS 实现的核心之一是 MEMS 加工技术。

传统的加工方法的研究重点是超精密机械加工，着重研究机械加工的微型化。而半导体硅微机械加工方法与传统微电子加工工艺兼容，它对硅基材料进行加工，并利用集成电路的工艺或化学腐蚀方法形成MEMS器件。［2］

随着微电子技术和半导体工业的迅速发展，将不同的器件集成在一起成为一种必然趋势，那必然需要牺牲层腐蚀技术，它是MEMS在各行各业中得以广泛的应用的重要考核标准。

1.牺牲层技术

牺牲层技术是MEMS中的关键技术之一，即在形成微机械结构的空腔或可活动的微结构过程中，先在下层薄膜上用结构材料淀积所需的各种特殊结构件，再用化学刻蚀剂将此层薄膜腐蚀掉，但不损伤微结构件，然后得到上层薄膜结构（空腔或微结构件）。由于被去掉的下层薄膜只起分离层作用，故称其为牺牲层。利用牺牲层可制造出多种活动的微结构，如微型桥、悬臂梁及悬臂块等。［3］

2.腐蚀速率

在牺牲层腐蚀的过程中， 最为关键的是腐蚀速率的控制。腐蚀速率对于精确预测腐蚀时间， 避免过腐蚀和节省时间， 从而可以将MEMS 器件加工的效率提高。影响腐蚀速率的因素特别多， Kern［4］认为温度影响了腐蚀速率。 Liu［5］认为温度的升高会加快腐蚀速率，腐蚀液浓度加大，腐蚀速率自然会提高。还有一些因素，掺杂程度、腐蚀液组分、牺牲层种类及厚度等等都将影响腐蚀速率。

3.腐蚀方法

3.1 湿法腐蚀

现有技术中，通常采用湿法腐蚀的方法去除牺牲层，即通过人工操作将硅片放入到装有腐蚀液的容器中进行浸泡，再用水对硅片进行清洗，最后进行烘干处理。众所周知，湿法腐蚀选择性较差，容易造成粘连现象和表面玷污，且所使用的大量腐蚀液具有剧毒性，极易对环境带来污染，对操作人员产生伤害。

3.2 干法腐蚀

姜义［6］等在对光刻原理进行研究分析的基础上，分别对比了干法和湿法腐蚀工艺。研究发现，湿法腐蚀的微表面非常光滑，但垂直刻蚀深度不好。而干法腐蚀的微表面垂直性好，但表面不平整。

3.3低能气相腐蚀

为解决湿法腐蚀中存在的种种问题，低能气相腐蚀（无需额外能量与离子轰击的气相腐蚀）随之产生。在低能气相腐蚀中，产品良率、均匀性、产量均大幅度提高。在这项技术里，最为重要的是控制腐蚀速率。通过速率的控制来推测反应结束的时间，也可以避免腐蚀过程中经常出现的不均匀与过量腐蚀的问题。

过量腐蚀对多晶硅的结构层会有严重的损害作用， 因此控制腐蚀速率可提高所需产品的性能和效率。 Eaton［7］认为在结构复杂的牺牲层腐蚀模型中，扩散系数是常数。而Monk［8］认为扩散系数会变化，但是在实际计算过程当中，他却赋予了常数。而实际上， 扩散系数不仅受到温度的影响，还受到浓度的影响。

Hong qinshi［9］等在前人腐蚀理论基础上提出了一种新颖的双循环腐蚀模型，通过内外两个回路的循环控制腐蚀气体浓度的一致性，并研究腐蚀速率控制理论，最终获得理想的腐蚀效果，也可为高效能腐蚀系统的开发奠定坚实的理论基础。

图1为现有的腐蚀系统原理图，腐蚀气体直接与腐蚀腔连接，腐蚀气体连续或间断的进入腐蚀腔，此种方法最大的问题就是导致腐蚀速率不能够保持恒定，不能保证腐蚀气体在腐蚀腔内循环流动，腐蚀的晶面中心与边缘的不均匀性，留有水印，产品良率下降，成本增加。

图1单循环回路腐蚀系统

文献中设计了一种新颖的双循环模式，如图2所示，整个装置分为两个回路，内循环和外循环。内循环过程中腐蚀气体循环流动，腐蚀气体在腐蚀腔中非常均匀的分布，而外循环在检测器的监控下，及时补充新鲜腐蚀气体，排出腐蚀过程中的其它产物。双回路的创意，可以在最大程度上减少水印，有效的提高芯片的制作效率。

图2 双循环回路腐蚀系统

4.结语

近年来，国外在牺牲层腐蚀方面的研究发展很快，很多研究机构纷纷开发出自己产品，然而，国内对此研究几乎一片空白，几十年都在使用进口设备，但进口设备价格昂贵，严重阻碍国内MEMS产业发展。对此国内一些机构和个人也曾提出了很多解决方案，但由于技术和条件限制，其所作的改进多是差强人意，收效甚微。如今面对MEMS巨大的发展浪潮，国内落后的腐蚀工艺件已经无法与之相适应。研究制作高性能的腐蚀系统成为必然的发展趋势。

［1］ 李德胜.MEMS技术及其应用.哈尔滨工业大学出版社， 2002.

［2］ 张永华， 丁桂甫， 李永海.MEMS的牺牲层技术［J］.微纳电子技术， 2005（2）： 73-77.

［3］ 吴晓， 周星元.现代制造工程.基于MEMS牺牲层技术的发展现状.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］ 姜义.干法和湿法腐蚀制作脊型半导体激光器的比较研究.长春理工大学硕士学位论文.

［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.

甘肃省科学院青年科技创新基金项目（2012QN-05，2014QN-18）

胡艳琴（1982-）女，山西文水人，硕士，助理研究员，研究方向为物理化学与材料化学。通讯作者：左显维。

本文介绍了气相腐蚀系统，着重于低能气相腐蚀，其新颖的双循环模式，可保证腐蚀速率随时间维持恒定以提高腐蚀质量和效率，也可解决低能气相腐蚀系统中腐蚀不均匀、过腐蚀和表面玷污等关键问题。