memsstar新白皮书第1部分：掌握MEMS工艺变量
2019-11-13 16:26:33   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

MEMS工艺讲解：利用vHF气相蚀刻SiO₂

据麦姆斯咨询介绍，由于微机电系统（MEMS）产品的三维（3D）结构及其与生俱来的机械特性，制造MEMS器件面临着独特的挑战。此类产品需要特定的微机械结构，以便实现包括振动、旋转或其他动作类型的MEMS功能（图1）。为此，MEMS制造工艺流程要求在传统的半导体器件制造工艺流程中增加一个维度（高度），因为传统的工艺仅用于制造平面型电子器件。

图1 MEMS器件的独特工艺挑战——在传统平面型器件工艺流程中增加一个维度（高度）

气相蚀刻通常是MEMS首选工艺，因为与湿法蚀刻相比，气相蚀刻更为可控。这种优势依赖于对MEMS制造工艺变量的深入了解，这也是memsstar的工艺设备优势。

水与醇催化剂

图2 HF蚀刻反应

在MEMS器件制造过程中，采用HF刻蚀SiO₂非常常见。蚀刻反应需要水或醇类催化剂的作用。memsstar研究人员发现，当采用水或醇类（乙醇是醇基系统中最常用的工艺催化剂）催化剂时，为达到稳定的刻蚀速率，以水为催化剂时的刻蚀条件比使用醇催化剂时更为宽松。通常，醇类物质会吸收部分反应生成的水，因此需要更苛刻的蚀刻条件且只能提供低水平的蚀刻性能。所以，建议使用水作为工艺催化剂，以获得更高的蚀刻速率和更好的工艺性能。

图3 利用HF气相蚀刻SiO₂的理想和非理想反应机理

通过在高H₂O蒸气浓度中或在没有醇类吸收H₂O反应副产物的情况下，利用理想反应HF²⁻的形成，更容易与氧化物界面发生与HF²⁻的氢键结合。这种氢键的形成可以更有效的引发蚀刻。这种反应机理还可以用于增强氧化膜与其他材料（例如氮化硅）之间的选择性。

工艺压力

按照蚀刻反应机理，在工艺反应室内，可以利用反应副产物之一的气态水（H₂O）进一步向工艺流程输送水，并最大程度地提升蚀刻速率。最佳方法是延长反应生成的水蒸气的停留时间，而实现这一过程的最主要方法是压力控制。鉴于特定类型的氧化膜蚀刻在不同的工艺压力下发生，因此这是控制蚀刻工艺的首要技术。

工艺压力同样影响着选择性，工艺压力偏高时，在氧化膜和氮化膜之间的选择余地将大大减少。该损失归因于反应气体停留时间的延长及产生的副产物，如SiFx分子。反应室内这些副产物停留时间的增加将导致氮化膜蚀刻速率较之氧化膜更快。通过保持较低的压力，蚀刻速率可以得到进一步控制，并且可以使反应物的停留时间更短。由此在蚀刻氧化膜时，可以降低氮化膜所受到的影响。

气体流量

当HF流量增加时，相对于HF，可用的H₂O相对减少，因此HF的解离度也下降了。这将导致反常现象：添加更多的蚀刻物质HF，实际上反而会减慢蚀刻过程。许多用户习惯于添加更多的蚀刻物质加速蚀刻过程，但是HF工艺恰好相反。

H₂O流量的增加遵循更常规的原理。添加更多的工艺催化剂可以加快HF解离，从而更轻易地引发和维持蚀刻。如果提供的流量过高，则蚀刻速率最终将由工艺本身产生的H₂O决定。这样，蚀刻中产生的H₂O量也很大。这将影响蚀刻开始及过程中的蚀刻性能。在memsstar氧化物蚀刻系统中，HF流和H₂O流的压力控制共同作用。用户可以将二者视为一系列相互关联的因素，轻松地调控这些条件以针对其特定器件选择合适的稳定工艺，并且此过程具有不断可重复的优点。

总之，memsstar可以帮助您把握工艺变量，如催化剂选择、工艺压力和气体流量等，并帮助您充分掌控您的MEMS vHF工艺。敬请查阅memsstar的新白皮书，深入了解这些主题以及MEMS工艺方程式中的其它因素，并继续关注MEMS微信公众号以了解本议题的第2部分和第3部分。