rie技术刻蚀pmma的研究

rie技术刻蚀pmma的研究

1其他深反应离子刻蚀技术由于微电机系统的发展，对微结构提出了更高的要求。其中之一就是要加工出具有尽可能大的深宽比结构。只有这样,器件的性能如灵敏度、驱动力和位移量等才能得到提高。而要加工大的深宽比结构,就要刻蚀过程具有高的选择比和良好的各向异性。由德国人开发出的LIGA技术在这方面获得了极大的成功。但是由于该技术需要使用同步辐射光源和特制的光刻掩模板,因此加工周期较长,费用较高。为了降低加工成本,人们又开发出使用深反应离子刻蚀技术刻蚀厚光刻胶也获得了具有高深宽比的微电铸结构。由于这种技术不需要昂贵的光源,加工成本大大降低;同时也不需要单独制作掩模板,加工工艺也大大简化。目前报道较多的是用RIE刻蚀Polyimide.例如S.Watanabe等用磁控O2RIE技术刻蚀Polyimide,其刻蚀深度为50μm,深宽比大于10,但是从其提供的SEM照片上看刻蚀图形的侧壁并不是非常垂直。另外,F.Shimokawa等也报道了类似的结果。而刻蚀PMMA,目前只有Shib?ChiaChang等报道了曾尝试用RIE刻蚀PMMA,刻蚀深度小于20μm,但文章中并没有给出PMMA刻蚀的具体工艺参数。实际上,PMMA是LIGA技术中最为常用的光刻胶,厚PMMA膜的制备在LIGA工艺中已很成熟,其厚度可以采用磨、抛的方法加以控制,而与Si基底的结合力问题也已解决。如果选择合适的掩模及用合适的方法加以图形化,有可能利用O2RIE深刻蚀PMMA以获得理想的微结构。本文着重研究了利用O2RIE深度刻蚀PMMA获得较为理想的微结构的过程,并着重讨论了刻蚀速率与刻蚀工艺参数的关系。2模型材料的制备图1表示了试验的全过程。在硅片上,先溅射一层厚约2μm的金属Ti并氧化。然后用模压的方法制作PMMA膜,厚度为100μm。接着在上面溅射一层金属Ni作电镀种子层,然后电镀加厚到约1μm。再经涂胶、光刻、显影等工艺制作掩模图形,然后用湿法刻蚀的方法将图形转移到Ni膜上,湿法刻蚀采用10%H2SO4+5%H2O2溶液,温度为室温。至此模制作工艺完成。接着就可用O2RIE进行刻蚀加工。刻蚀采用法国生产的NEXTRAL100型刻蚀机,本底真空度为1.33×10-5Pa,刻蚀气体采用纯度为99.99%的氧。刻蚀深度用DEKTEKⅡD型表面轮廓仪测量,而刻蚀速率则由刻蚀深度和刻蚀时间决定。刻蚀后的微结构则用HITACHI2150型扫描电子显微镜来观察。3结果与讨论3.1烟气压的影响图2为刻蚀速率(R)与氧气压的关系。从图中可以看出,随着O2气压从3.3Pa升到12Pa时,刻蚀速率也随着增大。反应离子刻蚀过程是一种十分复杂的物理和化学的综合作用。刻蚀过程中的等离子体中包括由碰撞产生的离子、电子以及氧游离基(游离态的氧原子、分子或原子团)。刻蚀过程中,氧游离基具有很强的化学活性,可与被刻蚀样品表面的PMMA起化学反应,形成挥发性物质,这就是化学刻蚀过程。同时刻蚀过程中也存在粒子的轰击效应,但是这里的粒子轰击效应又不仅仅是一种物理效应,它对化学反应还产生显著的增强作用,因此,气压对刻蚀速率可以有两方面的影响:一方面当氧气压降低的时候,离子的平均自由程增大而碰撞几率减小,因而离子的能量升高,从而导致物理刻蚀的速率增强;另一方面,随着氧气压的升高,物理刻蚀速率会降低,但是可参加化学反应的氧游离基将会大大增加,这样就会使得化学刻蚀速率大大加快。本试验的结果表明第二方面的原因是影响刻蚀速率的主要因素。Percy.B.Chincy在用反应离子刻蚀BCB时也得到了相似的结论。图3为刻蚀速率与刻蚀功率的关系。从图中可以看出,随着刻蚀功率的升高,刻蚀速率也会增大。功率的增加,对刻蚀过程存在着两方面的影响。一方面随着功率的增加,加速电压增大,自由电子的能量升高,经过与氧活性基团碰撞后发生能量交换,因而使参加化学反应的氧活性基团的能量增加,与被刻蚀物质的化学反应速度加快,从而使化学刻蚀作用增强;另一方面,随着功率的增加,导致轰击基片的氧离子能量也会增大,由此物理刻蚀效应也不断增强。由于这两方面的原因,导致随着刻蚀功率的增加,刻蚀速率也随之单调增加。但是,当刻蚀功率增大到一定程度时,PMMA会出现发焦起泡的现象。3.2等离子体的负电势作用电子平衡的机理刻蚀自偏压是刻蚀工艺参数的综合作用结果。由于采用射频电源,在负半周基片上加载负电压,吸引正离子轰击基片;而在正半周则是电子轰击基片。由于电子质量远小于离子,因而电子的运动速度远大于离子的运动速度,由此导致基片上出现负电荷的积累,产生相对于等离子体的负电势。这个负电势将会阻止电子轰击基片,使得平衡时轰击基片的电子数与离子数相等。此平衡时的电势就是所谓的自偏压。由以上分析可见,自偏压相对于等离子体的电势为负,因而它对离子轰击基片有加速的作用,它是影响物理刻蚀的关键因素。一般来说,刻蚀气压、刻蚀功率等都会影响自偏压,从而对刻蚀过程产生影响(如图4和5分别表示的是自偏压与氧气压和刻蚀功率的关系)。3.3微保格效应的转化图6所示的是未完全刻蚀的图形的SEM照片。刻蚀条件为:气压3.3Pa,刻蚀功率40W刻蚀时间为60分钟,气体流量25sml。刻蚀深度约为27μm。从图中可以看出,图型的侧壁比较垂直,但底部有很多草状的残余物。形成这种现象的原因,一般认为是微掩模效应造成的。微掩模的形成主要有两个原因:一是在刻蚀过程中,掩模材料(Ni)受轰击后又重新沉积在应被刻刻蚀的PMMA上,起到了微掩模的作用,致使被覆盖部分的刻蚀速率远低于未被覆盖的部分,因而经过一段时间的刻蚀就会形成草状残余物;另外SusumAsada等认为也有可能是基座材料(Al)受轰击后再沉积到应被刻蚀的PMMA上而形成的。图7所示的是刻蚀到底的图形SEM照片。刻蚀条件与图6的刻蚀条件基本相同,只是刻蚀时间为4小时,深度约为100μm,线宽为20μm。从此图可以看出,草状残余物已经基本被刻蚀干净。同时还可以看出,虽然经过了长时间的刻蚀,刻蚀深度已经达到100μm,但是图形的侧壁仍然基本垂直,而且较为光滑。而刻蚀深宽比(定义为纵向刻蚀深度与横向刻蚀深度之比)明显大于10。3.4刻蚀速率的测定为了获得完好和准确的图形,对不同材料的刻蚀应具有选择性。刻蚀选择性通常用被刻蚀材料的刻蚀速率与掩模材料的刻蚀速率之比来表示。本实验中用Ni薄膜做掩模,刻蚀选择比(本试验中为PMMA刻蚀速率与掩模材料Ni刻蚀速率之比)可达200以上,基本满足了深刻蚀的要求,同时它也比较容易用湿法化学刻蚀的方法图形化。4刻蚀图形和功率(1)利用O2RIE技术刻蚀PMMA,选择合适的工艺参数,可获得刻蚀深宽比大于10、厚度达100μm的微结构。刻蚀图