一種基于深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備高深寬比硅微結(jié)構(gòu)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及硅微結(jié)構(gòu)的制備方法，尤其涉及一種基于深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備高深寬比硅微結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System，MEMS)的不斷發(fā)展，各類(lèi)傳感器、微執(zhí)行器等功能裝置不斷涌現(xiàn)，小尺寸、高功率、高集成度的微能源器件需求日益突出。微能源器件因結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、作用迅速準(zhǔn)確、儲(chǔ)能密度大和可批量生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代儲(chǔ)能領(lǐng)域頗受重視。
[0003]由于微能源器件結(jié)構(gòu)二維面積有限，無(wú)法滿足其儲(chǔ)能要求，三維結(jié)構(gòu)逐漸成為人們的研究熱點(diǎn)。高深寬比三維結(jié)構(gòu)能夠充分利用高度空間進(jìn)行儲(chǔ)能以獲得更高的能量和功率密度，可作為微納器件的載體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)或功能媒介，滿足了微納器件對(duì)于驅(qū)動(dòng)力、使用頻率范圍、低噪聲、高分辨率、靈敏度、位移量和集成互連等性能提高的迫切要求，已成為微能源發(fā)展的重要方向，在無(wú)線通信、生物、光電、微能源等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。規(guī)則的高深寬比結(jié)構(gòu)表面具有獨(dú)特的催化、粘附、抗菌、光學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，為MEMS器件的進(jìn)一步微型化開(kāi)辟了新的思路和更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0004]高深寬比微結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)有很多，DRIE(深反應(yīng)離子刻蝕)技術(shù)由于具有刻蝕精度高、刻蝕結(jié)構(gòu)不受晶向影響、刻蝕深寬比高、自動(dòng)化程度高、環(huán)境清潔、操作安全、IC兼容性好等優(yōu)勢(shì)逐漸成為高深寬比結(jié)構(gòu)的主流加工技術(shù)。該技術(shù)采用通過(guò)電容耦合(CCP)裝置實(shí)現(xiàn)離子加速，射頻(RF)源提供高密度等離子體和離子加速的能量，循環(huán)鈍化-刻蝕步驟的方法進(jìn)行刻蝕，先沉積一層聚合物用于保護(hù)側(cè)壁，再將聚合物與硅同時(shí)刻蝕掉，通過(guò)控制聚合物沉積和刻蝕步驟之間的平衡控制，最終實(shí)現(xiàn)高深寬比垂直結(jié)構(gòu)的各向異性刻蝕。DRIE技術(shù)具有可控性高、刻蝕速率高、對(duì)Si刻蝕選擇比高等優(yōu)勢(shì)，是目前應(yīng)用最廣泛的深槽刻蝕技術(shù)。然而，DRIE刻蝕硅微深槽結(jié)構(gòu)的平整性和均勻性仍是一大技術(shù)難題，突破該瓶頸具有十分重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。
[0005]現(xiàn)有硅微結(jié)構(gòu)刻蝕技術(shù)主要采用光刻膠、光刻膠/S12和金屬Al三種掩膜方式。光刻膠做掩膜時(shí)為了保證足夠的深度，需要增加光刻膠厚度，一方面造成光刻圖形的失真(光刻膠加厚對(duì)光刻機(jī)的分辨率與顯影要求更高)，另一方面光刻膠與硅的選擇比有限，光刻膠在等離子體的長(zhǎng)時(shí)間轟擊下選擇比會(huì)降低。金屬Al做掩膜可以實(shí)現(xiàn)硅的深刻蝕，但一般采用氯基氣體，選擇比較低，生成的殘留物在腔體內(nèi)很難被帶走，容易造成結(jié)構(gòu)的污染，且刻蝕出的深寬比結(jié)構(gòu)在中間區(qū)域會(huì)內(nèi)凹，不利于后期結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步加工。光刻膠/S12復(fù)合掩膜采用氟基氣體刻蝕，反應(yīng)生成物較易處理，不會(huì)造成結(jié)構(gòu)污染。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)光刻膠/S12復(fù)合掩膜刻蝕高深寬比硅結(jié)構(gòu)(深寬比50:1以上)的研究較少，且很難保持垂直度和低粗糙度。
[0006]有鑒于上述的缺陷，本設(shè)計(jì)人，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種基于深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備高深寬比硅微結(jié)構(gòu)的方法，使其更具有產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種基于深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備高深寬比硅微結(jié)構(gòu)的方法，該方法采用光刻膠/S12復(fù)合掩膜能夠制備高深寬比、高垂直度、低粗糙度、精確的圖形轉(zhuǎn)移的硅微結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明提出一種基于深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備高深寬比硅微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0009 ] (I)清洗一片η型，(100)晶向的單晶硅作為襯底；
[0010](2)在硅襯底表面沉積一層一定厚度的S12膜；
[0011](3)在S12膜表面旋涂上一定厚度的光刻膠，經(jīng)過(guò)光刻工藝實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移；
[0012](4)采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)刻蝕技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)CHF3和CF4氣體流量和刻蝕功率，把光刻膠圖形精確復(fù)制到S12膜上，使S12膜側(cè)壁垂直度可達(dá)85度左右；
[0013](5)采用DRIE工藝刻蝕形成高深寬比三維深槽結(jié)構(gòu):選擇一定流量的SF6作為刻蝕氣體，選擇一定流量C4F8和O2作為鈍化氣體，進(jìn)行鈍化-刻蝕的交替過(guò)程，在鈍化-刻蝕交替的時(shí)候同時(shí)通入一段時(shí)間的SF6和C4F8,有利于刻蝕與鈍化的轉(zhuǎn)換過(guò)渡，大大降低側(cè)壁粗糙度，同時(shí)設(shè)置好線圈功率和平板功率，通過(guò)較低的平板功率來(lái)實(shí)現(xiàn)硅的快速刻蝕；
[0014](6)對(duì)硅微結(jié)構(gòu)上的刻蝕殘留物進(jìn)行清洗，得到干凈的高深寬比硅微結(jié)構(gòu)。
[0015]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(2)中所述在硅襯底表面沉積S12膜的厚度為I?2μηι0
[0016]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(3)中所述在S12膜表面旋涂光刻膠的厚度為2?3μηι0
[0017]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(5)中所述的SF6的流量為280sccm，所述C4Fs的流量為80sccm，所述02的流量為28sccm。
[0018]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(5)中所述在鈍化-刻蝕交替的時(shí)候通入SF6和C4F8的時(shí)間為Is。
[0019]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(5)中所述線圈功率設(shè)置為600W，平板功率設(shè)置為12W。
[0020]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(6)中所述清洗的方式為:用O2清洗，清洗時(shí)間為20min。
[0021]借由上述方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明立足于微能源應(yīng)用領(lǐng)域，針對(duì)實(shí)現(xiàn)容量大、瞬發(fā)功率高、可靠性高的儲(chǔ)能器件的迫切要求。采用光刻膠/S12復(fù)合掩膜實(shí)現(xiàn)高深寬比結(jié)構(gòu)的高垂直度、低粗糙度刻蝕和精確圖形轉(zhuǎn)移，其深寬比可達(dá)100:1以上。通過(guò)控制氣體流量、刻蝕鈍化時(shí)間比、刻蝕功率等刻蝕參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高深寬比的硅微三維結(jié)構(gòu)加工。解決現(xiàn)有深槽結(jié)構(gòu)表面積小、側(cè)壁垂直度差、鉆蝕現(xiàn)象嚴(yán)重、表面粗糙度大等技術(shù)難題。該硅微三維結(jié)構(gòu)具有大容量體積比、高可靠性等特點(diǎn)，非常適用于MEMS能源儲(chǔ)能器件，并滿足能源系統(tǒng)微型化、智能化、集成化的發(fā)展要求。
[0022]本發(fā)明還有如下優(yōu)點(diǎn):
[0023]1.采用光刻膠/S12復(fù)合掩膜，S12