memsstar新白皮书第3部分：气相蚀刻用户指南
2020-03-17 10:40:01   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询介绍，微机电系统（MEMS）器件制造给工艺工程师及其设备选择带来了独特的挑战。这主要是因为MEMS产品的三维（3D）特性和机电功能。实际上，面对这些额外的挑战，气相蚀刻这一完全不同的蚀刻工艺是满足这些技术要求的最佳选择。

工艺控制更佳

传统半导体器件制造中使用的各向同性蚀刻步骤通常借助液体型工艺（也称为湿法蚀刻）完成。这种方法将晶圆浸泡在液体蚀刻剂溶液浴中，可在短时间内将材料从晶圆上移除。此工艺消耗蚀刻剂，而溶液的补充速度取决于蚀刻剂的使用速度和蚀刻剂从溶液浴中蒸发的速度。常见的湿法蚀刻工艺使用氢氟酸（HF）去除二氧化硅（SiO2）。作为蚀刻剂，HF以1微米/分钟的速度足以除去SiO2。这使其成为清洁或去除大块层且无需精确控制时的有效工艺。

气相蚀刻（VPE）是一种替代方法，通过气相蚀刻剂完成蚀刻。这是一种更为精确的工艺，因为通过使用设备中的气流控制器和压力控制器，蒸气会更容易控制。即使通过工艺变量，也无法控制湿法蚀刻工艺中的液体，因此，当需要非常精确的控制时，VPE就具有诸多优势，如在MEMS器件制造工艺中。

工艺越干燥，粘滞越少

气相蚀刻可防止粘滞，这为MEMS制造提供了显著的优势。湿蚀刻剂通常需要数次冲洗步骤，以确保将溶液从器件中清除，然后再进行干燥过程。尽管复杂、清洁、冲洗和干燥过程（例如临界点干燥）已被开发并已投入使用多年，但这种工艺仍然不可能完全清除在去除液体时残留的残渣和污垢。因湿法蚀刻而造成的这种不完善的表面处理会导致粘滞，可能会影响MEMS器件的正常功能。

从微观上看，粘滞是由于各种力（例如库仑引力、范德华力、静电荷、局部氢键或其他表面现象），使一种材料与另一种材料的永久粘附。如果这些力足够大，则MEMS器件的独立组件将粘附在器件基板上（图1）。气相蚀刻法已经成为防止粘滞的唯一方法。

图1 悬臂结构在MEMS器件中很常见，湿法蚀刻时会使层之间产生粘滞（左）；气相蚀刻可实现无粘滞MEMS器件（右）。（图中英文解释：Hydrophilic surface：亲水表面；Si Substrate：硅衬底）

材料选择更多

VPE的特性使其与材料的兼容性更好，可选材料更多。例如，当存在铝时，可以使用HF VPE工艺，而HF湿法蚀刻与铝不兼容。在蚀刻浴中，使用的液体HF实际上是HF酸，而在气相蚀刻中使用的是无水HF（aHF）。HF的不同相可能会影响HF与暴露在其中的表面的相互作用。这对很多材料而言没有区别，但是对铝却有影响。液体HF蚀刻（即用HF酸）对铝的腐蚀性太强，因此，当有铝键合基底或铝功能性电层作为器件的一部分时，VPE是正确的选择。

相反，常规的聚合物光刻胶可以用作HF湿法蚀刻的掩膜层，但与气相蚀刻并不相配。气相HF分子流动性更强，因此能够通过聚合物（如光刻胶）中的孔扩散。这会导致其与光刻胶的下层发生反应，这并不是想要的结果。这样的工艺知识对优化MEMS加工至关重要。

小结：气相蚀刻是与传统湿法蚀刻完全不同的工艺，其在工艺控制、消除粘滞和材料兼容性方面具备更强的优势，使其成为MEMS工艺工具箱的关键部分。