在MEMS器件中，微米级的硅悬臂梁、深腔、通孔与梳齿结构，都需要从硅衬底上“剔除”多余材料才能成形。干法刻蚀利用高能等离子体实现各向异性物理/化学刻蚀，不仅决定了微结构的深宽比极限和侧壁垂直度，还直接影响器件的机械灵敏度与成品率。

干法刻蚀工艺提供了一种精确加工高深宽比结构的手段，这些高深宽比结构用于形成MEMS的基本模块。干法刻蚀工艺包括了:(1)纯化学(气相刻蚀)，(2)纯物理(离子束刻蚀或离子铣)，(3)以上两种方法的组合(反应离子或等离子体刻蚀)三种方法。利用这些方法可以选择性地刻蚀需要去除的衬底材料。

刻蚀是通过物理化学方法将需要去除的材料从衬底上去除的一个可控的过程。刻蚀既可以使用液态的化学成分进行，也可以使用气态或等离子态的化学成分进行，前者称为湿法刻蚀，后两者则称为干法刻蚀。干法刻蚀工艺包括等离子体刻蚀、反应离子刻蚀、化学辅助离子束刻蚀、离子铣、气相化学刻蚀。用于可控地去除所需材料的化学试剂称为刻蚀剂。如果刻蚀工艺所用的试剂可以自发地与被刻蚀材料反应，生成挥发性或气态的物质，那么这样的刻蚀工艺属于由反应能量控制的纯化学方法。然而，大多数刻蚀过程需要外加的能量来加速反应能量的积聚，以使反应达到生成挥发性物质的状态。通常，可以通过为刻蚀剂分子、自由基或离子增加可观的物理能量，从而引起物理化学反应来实现。

在一些限定的情况中某种材料无法通过化学反应轻易地去除，这时就会使用纯物理的方法，例如离子束刻蚀或离子铣。大多数干法刻蚀工艺都介于纯化学刻蚀和纯物理刻蚀两种方法之间。

1）刻蚀指标（Etching Index）

刻蚀可以通过一些重要的指标来进行描述，例如刻蚀速率、各向异性、选择比、刻蚀终止、负载效应、均匀性等。图中描述了一些重要的刻蚀指标，这些指标简单定义如下。刻蚀速率:暴露的材料在给定刻蚀条件下被刻蚀的速度。刻蚀速率最典型的表达是单位时间内被刻蚀的材料厚度，数量单位是nm/min或者um/min。通常，我们希望刻蚀速率要尽可能快。

各向异性:各向异性的程度(A)取决于垂直方向(垂直衬底表面方向)和横向(平面内)的刻蚀速率之比。数学表达式为:

其中Rv表示垂直方向刻蚀速率，Rt代表横向刻蚀速率。在理想的各向异性刻蚀情况下，横向刻蚀速率与垂直方向刻蚀速率相比十分微小，可认为A=1;而在完全各向同性刻蚀情况下，两个方向的刻蚀速率相当，A=0。

选择比:刻蚀选择比定义为被刻蚀材料相对于掩膜材料的刻蚀速率，通常都是采用光刻胶作为掩膜材料。高选择比可以使工艺达到较好的掩蔽效果和高保真的图像传递效果。

刻蚀终止:通常刻蚀过程在达到所要求的刻蚀深度之后就需要停止下来，这可以通过定时刻蚀来控制，也可以使用一层刻蚀终止材料，当刻蚀到达这层材料时，整个过程就被终止。每一层刻蚀终止层都要考虑整个过程的控制，并对由负载效应或设备引起的圆片刻蚀速率不一致性进行补偿。良好的刻蚀终止层必须在整个刻蚀过程中保持高度的惰性，尤其是与被刻蚀材料之间不能发生作用。使刻蚀过程在终止层停止的典型方法包括光谱方法、刻蚀挥发性产品的残余气体分析法、激光干涉法以及激光反射法。

各向异性(A)

刻蚀的不均匀性：刻蚀的不均匀性是指整个圆片内刻蚀深度的变化。为了确保圆片内或者圆片间的测量具有实际意义，刻蚀厚度的测定要采用同样的标准。众所周知，等离子体的刻蚀速率随特征宽度变化，这被称之为依赖深宽比的刻蚀效应(aspect-ratio-dependent etching.ARDE)。基于这种效应,在相同条件下窄的样品与宽的样品相比被刻蚀得更少。为了弥补刻蚀厚度的不均匀性，通常需要对宽的样品过度刻蚀20%~30%.因此，刻蚀终止层的作用对于获得高均匀度的刻蚀是至关重要的。圆片的刻蚀不均匀性定义为:

负载效应：刻蚀速率不仅仅是工艺过程中气体化学和物理设置的一个函数，同时也取决于被刻蚀材料(面积)的总量。一般情况下，刻蚀速率随着被刻蚀材料面积的增加而减小，尤其是在以化学反应为主的工艺中，这是刻蚀剂或者反应气体被大量消耗的直接结果。当通过增加圆片数量或改变掩膜设计增加了被刻蚀的总面积时，负载效应就在圆片级别上宏观地表现出来。由于在刻蚀高深宽比结构时被刻蚀材料局部的刻蚀剂分子耗尽，因此微观尺寸的负载效应也会显现。反应离子刻蚀延迟或依赖深宽比刻蚀描述了相同圆片中不同特征宽度的刻蚀速率的差异。这些效应同样也会出现在其他一些情形中，例如在用氟等离子体刻蚀硅时采用铝底座。由于铝不与含氟的自由基反应，这样较之圆片中心反应自由基的消耗，圆片边缘反应自由基的消耗就减少了。这就引起了著名的舷窗效应，即圆片的边缘总是比中心部分更快地被刻蚀。这种不均匀性通常是通过过度刻蚀衬底材料直至一层高选择比的刻蚀终止层来补偿。总的来说，在刻蚀n个面积均为A的圆片时，刻蚀速率Rn

可以写为：

其中R0是空腔室刻蚀的速度，k是与圆片刻蚀中消耗的刻蚀剂分子数量以及刻蚀腔体、表面处结合而消失的刻蚀剂数量有关的常数。只要腔体或表面处的刻蚀剂分子结合占主导，就可以忽略由刻蚀剂消耗而减少的分子量，这样负载效应的影响也就减到最小。这种情况在大体积的刻蚀腔室和大流量的刻蚀剂条件下已经得到实现。同时当刻蚀在较低的压强下进行，并且使离子轰击或物理刻蚀在工艺过程中起主要作用，也可以减轻微观尺寸的负载效应。

2）凹槽效应（Groove effect）

凹槽效应表现为被刻蚀的导体材料与下层的绝缘材料界面间出现狭窄的侧开口(楔形)。通常，凹槽出现在过度刻蚀阶段的下层绝缘材料首先暴露的地方。刻蚀硅氧化物层上的硅时，凹槽的出现是由于直接轰击和刻蚀硅侧壁底面的高能离子被电场感应线吸引并使得其运动轨迹弯曲。这个过程会因为其后的高能离子前向散射或静电偏转而持续出现在新暴露的凹槽下方的SiO2表面。

3）微沟槽效应（Micro-groove effect）

微沟槽表现为被刻蚀的垂直侧壁底部角落出现的迅速被刻蚀的窄沟槽。这一区域刻蚀速度的增加主要是由于掩膜和刻蚀衬底侧壁导致高能离子的优先小角度前向散射。微沟槽主要影响包括离子束刻蚀在内的高能离子轰击驱动型刻蚀工艺。尽管微沟槽效应可以在各种衬底中观察到，但是绝缘衬底的充电效应会增强这一现象。

微沟槽效应

关于我们

j9国际站是以MEMS纯代工模式为理念、特色工艺和制造能力为基础、国际化运营为侧重的半导体专业服务厂商。公司通过长期积累掌握MEMS制造核心工艺技术，并努力向硅光、射频、模拟等特色工艺技术进行延伸拓展；公司同时向客户提供IC设计服务及EDA工具服务，MEMS等特色工艺开发、集成、晶圆制造及封装测试服务。公司服务客户包括硅光子、激光雷达、运动捕捉、光刻机、DNA/RNA测序、高频通信、AI计算、ICT、红外热成像、计算机网络及系统、社交网络、新型医疗设备厂商以及各细分行业的领先企业和众多知名芯片设计公司，涉及代工和服务芯片品类范围覆盖了通信计算、生物医疗、工业汽车、消费电子等诸多应用领域。公司已初步构建MEMS封装测试能力，前瞻性布局IC设计服务及EDA工具服务，致力于为客户提供从设计服务及EDA工具、工艺开发、晶圆制造到封装测试的一站式综合服务，并将着重立足本土，拓展国际化运营。

欢迎联络

市场销售

邮箱：marketing@smeiic.com

电话：010-87018180

其他咨询

邮箱：smeiic@smeiic.com

电话：010-87018118

j9国际站