馬 睿，蔡長龍

（西安工業(yè)大學光電微細統(tǒng)研究所，西安 710021）

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是微機電系統(tǒng)的縮寫，它是在融合多種微細加工技術，并應用現代信息技術的最新成果的基礎上發(fā)展起來的高科技前沿學科。采用MEMS技術制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構件、微機械光學器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事等領域中都有著十分廣闊的應用前景。因此MEMS的制造工藝也引起了極大的重視，硅的干法刻蝕技術具有刻蝕速率快、刻蝕尺寸精密、刻蝕設備自動化程度高等優(yōu)點，是實現MEMS結構的最佳選擇之一。如何保證將掩模版上的精密圖形精準地轉移到硅基片上，卻成為刻蝕之前必須解決的一個重要問題，掩蔽層圖形化工藝的研究是為后續(xù)的硅深刻蝕所做準備。

在硅片上沉積一層薄膜作為掩蔽層，其主要作用有兩個：一是將掩模版上的圖形通過光刻工藝轉移到硅基片上；二是在刻蝕硅的過程中，對不需要刻蝕的硅起保護作用。掩蔽層薄膜圖形化的基礎是硅基表面微細加工技術，主要包括光刻、薄膜淀積、腐蝕等工藝。在硅基高深寬比微細結構的制作工藝中，掩蔽層不僅要求選擇比高，還要能嚴格控制刻蝕輪廓，精準地對掩蔽層圖形化。

1 MgO掩蔽層對硅的刻蝕選擇比研究

在硅基高深寬比微結構制作中，高質量的掩蔽層須具備以下三點：一能嚴格控制所刻蝕的輪廓；二對Si的選擇比大，即只對硅刻蝕，對掩蔽層材料不會產生明顯的刻蝕；三掩蔽層材料易于去除，并與CMOS工藝兼容[9-10]。

硅的干法刻蝕一般均使用SF6作為刻蝕氣體，本文選用ICP-98A等離子刻蝕機作為刻蝕設備，通過改變射頻功率、氣體流量對硅片及其表面的MgO掩蔽層刻蝕。使用Taylor hobson輪廓檢測儀得到Si刻蝕深度，使用膜厚測量儀測得MgO作為掩蔽層被刻蝕后的厚度。根據刻蝕時間計算出Si和MgO在SF6等離子體中的刻蝕速率，進而計算出Si對MgO薄膜的刻蝕選擇比。

實驗一：采用SF6為刻蝕氣體，氣體流量為50sccm，壓強為3.5 Pa，改變射頻功率的大小，對表面沉積了MgO薄膜的單晶硅（100）片和單晶硅（100）片進行刻蝕。表1為不同射頻功率下Si和MgO的刻蝕速率及Si對MgO選擇比。

實驗二：選擇SF6為刻蝕氣體，射頻功率為800W，改變氣體流量的大小，對表面沉積了MgO薄膜的單晶硅（100）片和單晶硅（100）片進行刻蝕。表2為不同氣體流量下Si和MgO的刻蝕速率及Si對MgO選擇比。

表1 不同射頻功率下Si和MgO的刻蝕速率及Si對MgO選擇比

表2 不同氣體流量下Si和MgO的刻蝕速率及Si對MgO選擇比

經過實驗研究：MgO薄膜在SF6中的刻蝕速率為0.3～3.5nm/min，遠遠小于硅的刻蝕速率，對硅的刻蝕選擇比大，同時MgO薄膜在HCl、H2O2和NH4Cl的混合溶液中可以快速的去除，因此，MgO薄膜適合作為硅深刻蝕中的掩蔽層材料。

2 掩蔽層薄膜圖形化的關鍵工藝

2.1 光刻工藝

光刻技術是微加工實現的關鍵技術，光刻的原理是通過曝光系統(tǒng)將掩模版上的圖形精確傳遞到硅晶片表面或介質層上的光刻膠層上，在光刻膠層的保護下利用刻蝕技術在硅片或各種薄膜上制備出符合要求的圖形，為各種微結構的制作奠定基礎。在光刻工藝中，光刻膠是關鍵性材料，本文實驗中選擇正型光刻膠。

常規(guī)光刻工藝通常由以下步驟組成：基底表面預處理、涂膠、前烘、曝光、顯影、后烘、腐蝕、去膠。

2.2 薄膜工藝

薄膜技術主要應用于掩蔽層薄膜的沉積，本文采用電子束真空蒸鍍法沉積MgO薄膜，將制備薄膜的MgO顆粒狀晶體放入水冷銅坩鍋內，通過加熱燈絲使電子槍陰極產生電子，經加速聚焦成束狀，由置于外部的偏轉線圈的磁場使電子束軌道彎曲照射到坩鍋的膜料上，電子束轟擊區(qū)域的溫度可高達3300～6000℃，從而使膜料熔化并蒸發(fā)到硅基片表面上。同時利用鍍膜機的膜厚監(jiān)控儀，通過石英晶體的頻率下降值得到薄膜的幾何厚度。

2.3 刻蝕工藝

刻蝕技術通常分為濕法腐蝕和干法刻蝕兩類。本文利用濕法腐蝕技術使掩蔽層薄膜圖形化。濕法刻蝕技術是利用化學反應來進行薄膜的去除，刻蝕速率通?？捎筛淖內芤簼舛燃皽囟扔枰钥刂?。在濕法刻蝕中，掩蔽層材料必須與待刻蝕材料表面有良好的附著性，并能承受刻蝕溶液的侵蝕且穩(wěn)定不變質。

3 腐蝕法MgO薄膜圖形化工藝研究

3.1 實驗設備及材料

KQ-100DB型數控超聲波清洗器、MgO晶體膜料、北儀QE型電子束真空鍍膜設備、JKG-2A型光刻機、MIRAKTM Thermolyne型熱板、KW-4A型臺式勻膠機、尼康L-150工業(yè)顯微鏡、AZ5214E光刻膠、薄膜厚度測試儀、顯影液、N型單晶硅（100）片、掩模版、磷酸（H3PO4）溶液、氫氟酸（HF）溶液、鹽酸（HCl），雙氧水（H2O2）和氯化銨（NH4Cl）混合溶液。

3.2 MgO薄膜圖形化工藝流程

3.2.1 硅基片的預處理

使用相應溶液對硅表面進行清洗，除去硅片表面的有機物污染及各種微粒、氧化物和金屬離子等，去離子水沖洗5分鐘，氮氣吹干后放置在熱板上，去除表面吸附的水分。

3.2.2 MgO薄膜的沉積

采用北儀QE型電子束真空鍍膜機制備在硅片表面沉積一定厚度的MgO薄膜。

3.2.3 勻膠

選擇KW-4A型臺式勻膠機，采用自轉離心旋涂法勻膠。將硅片吸附在勻膠機的吸盤上，讓硅片以500轉/分的轉速旋轉，取3-4滴AZ5214E型正性光刻膠滴至硅片中心，勻膠15秒，使光刻膠均勻涂覆在硅片上。再以2500轉/分的轉速勻膠60秒，勻膠速度、勻膠時間都和光刻膠薄膜的厚度有關。轉速越快，勻膠時間越長，光刻膠薄膜越薄。

3.2.4 前烘

使室溫保持在20℃左右，將勻膠后的硅片放置在熱板上，調節(jié)溫度至105℃溫度，前烘時間60秒。經過實驗發(fā)現，前烘溫度越高，時間越長，溶劑的揮發(fā)量越多，膠膜的粘性變小，但是對于固定量的膠，當前烘時間超過一定值后，溶劑的揮發(fā)量將趨于飽和，不再增加。

3.2.5 曝光

實驗采用的掩模版上有四組長方形圖案，線寬分別為3μm、5μm、10μm和20μm的。將勻膠、前烘后的硅片放置在JKG-2A型光刻機中對進行接觸式曝光，曝光時間控制為60秒。

3.2.6 顯影

顯影是得到所需要圖形的關鍵步驟，顯影效果的好壞直接影響到所得圖形尺寸的精確性，顯影時間過長會導致過腐蝕，使掩蔽層圖形的關鍵尺寸失真，所以要用去離子水對顯影液后進行稀釋后顯影，去離子水與顯影液的配比為4：3，通過在顯微鏡下測量顯影后的圖形尺寸發(fā)現，當去離子水與顯影液的配比為4：3時，經過55～60秒的顯影可以得到最好的顯影效果。通過前期的實驗可知，顯影液的濃度高，顯影的速度會很快，在幾秒鐘內完成，很難控制，若想得到最佳的顯影效果，需要將顯影時間控制在一個相對可控范圍內。通過稀釋顯影液，進行顯影，在確定適當顯影液濃度的情況下，顯影時間是對顯影結果影響的關鍵因素：若顯影時間不足，容易造成顯影不充分，如在顯影時間為40秒時，3μm的圖形就沒有顯現出來，這可能是由于該圖像上方待去除的光刻膠沒有去除干凈；在顯影時間為45秒時，3μm沒有完全顯現，可能是待去除的光刻膠形成斑紋或小島；在顯影時間為50秒時，3μm圖像邊緣模糊，可能是因為待去除光刻膠邊緣出現厚度遞減過渡區(qū)，形成邊緣毛刺，降低了圖形的分辨率；當顯影的時間過長，如顯影時間為65秒時，20μm圖形線寬變大達到21μm，是由于光刻膠發(fā)生軟化，顯影液從基底表面向圖形邊緣滲入產生鉆蝕，影響圖形的尺寸。在顯影時間為70秒時，鉆蝕的顯現更加明顯，圖形邊緣變得模糊，線寬也繼續(xù)變大。由此可知，無論是顯影時間不足還是過長，都會影響圖形的尺寸和分辨率，使后續(xù)工藝中難以正常進行。

3.2.7 堅膜

使室溫保持在20℃左右，將顯影后的硅片放置在熱板上，調節(jié)溫度至120℃溫度，后烘120秒。

3.2.8 濕法腐蝕

由于 MgO 薄膜在鹽酸（HCl）、雙氧水（H2O2）、氯化銨（NH4Cl）的混合溶液中可以快速去除，因此，采用濕法腐蝕的方法進行掩蔽層薄膜的圖形化。通過實驗發(fā)現將硅片放入上述混合溶液中，利用光刻膠做掩模，對MgO薄膜進行腐蝕，從而實現掩蔽層薄膜圖形化。

3.2.9 去膠

光刻膠易溶于丙酮，將圖形化后的硅片放入丙酮溶液中可快速去除MgO薄膜表面的光刻膠。

4 結論

本論文主要研究了不同射頻功率和氣體流量下Si和MgO的刻蝕速率及Si對MgO的刻蝕選擇比，說明MgO薄膜是一種選擇比高的掩蔽層材料。接著介紹了MgO薄膜圖形化的關鍵工藝：光刻、薄膜沉積和刻蝕工藝。通過對硅基片清洗、旋轉涂膠、前烘、曝光、顯影、后烘、腐蝕、去膠等實驗，研究了采用腐蝕法對MgO薄膜圖形化的工藝參數，為硅深刻蝕技術的實現奠定了基礎。

[1]蔣玉榮.硅基MEMS三維結構濕法腐蝕技術研究[D].武漢：武漢理工學，2007.5.18-23.

[2]劉歡.基于非晶硅的紅外探測陣列工藝研究[D].西安：西安工業(yè)大學，2008.5：20-25.