MEMS深硅刻蚀工艺研究报告

硅蚀刻工艺在MEMS中的应用文章来源：本站原创点击数：97 录入时间：2006-4-7减小字体增大字体Dave Thomas / Trikon Technologies，Newport，Wales，United Kingdom本文介绍了在现代微机电系统（MEMS；Micro Electro-Mechanical System）制造过程中必不可少的硅蚀刻流程，讨论了蚀刻设备对于满足四种基本蚀刻流程的要求并做了比较，包括块体（bulk）、精度（pre cision）、绝缘体上硅芯片（SOI；Silicon On Insulator）及高深宽比的蚀刻（high aspect ratio etching）等。

并希望这些基本模块能衍生出可提供具备更高蚀刻率、更好的均匀度、更平滑的蚀刻侧壁及更高的高深宽比的蚀刻能力等蚀刻设备，以满足微机电系统的未来发展需求。

微机电系统是在芯片上集成运动件，如悬臂（cantilever）、薄膜（membrane）、传感器（sensor）、反射镜（mirror）、齿轮（gear）、马达（motor）、共振器（resonator）、阀门（valve）和泵（pump）等。

这些组件都是用微加工技术（micromachining）制造的。

由于硅材料的机械性及电性众所周知，以及它在主流IC制造上的广泛应用，使其成为微加工技术的首要选择材料。

在制造各式各样的坑、洞、齿状等几何形状的方法中，湿式蚀刻具有快速及低成本的优势。

然而，它所具有对硅材料各方向均以相同蚀刻速率进行的等向性（isotropic）蚀刻特性、或者是与硅材料的晶体结构存在的差异性、产生不同蚀刻速率的非等向性（a nisotropic）等蚀刻特性，会限制我们在工艺中对应用制造的特定要求，例如喷墨打印机的细微喷嘴制造（非等向性蚀刻特性总会造成V形沟槽，或具锥状（tapered walls）的坑洞，使关键尺寸不易控制）。

而干式蚀刻正可克服这个应用限制，按照标准光刻线法（photolithographic）的光罩所定义的几何图案，此类干式蚀刻工艺可获取具有垂直侧壁的几何图案。

摘要随着MEMS技术的发展，MEMS器件上的微结构从之前单一的表面结构向更为复杂的三维空间立体结构加工方法发展，高深宽比结构的加工则是其中一个重要的方向。

深硅刻蚀技术作为高深宽比结构的加工方法已成为国内外的研究热点。

由Robert Bosch公司持有专利的交替往复式工艺（Bosch工艺）主要用于深硅刻蚀，是目前应用最广泛也是发展最成熟的深硅刻蚀工艺。

交替往复式工艺能够达到很大的深宽比和选择比。

而RIE-ICP刻蚀系统可独立控制等离子体密度和离子轰击能量、刻蚀速率高、结构简单、成本低、工艺稳定性强，占据着深硅刻蚀市场主要地位。

本论文通过对掩蔽层图形化工艺的实验和掩蔽层材料的选择以及利用RIE-ICP刻蚀系统进行深硅刻蚀工艺参数的优化研究，实现了硅通孔的加工。

本论文的主要研究内容如下：1.通过实验的方式设计并验证了掩蔽层图形化的相关工艺参数。

成功地将图形由光刻板准确地转移到了掩蔽层上，为后续深硅刻蚀做好准备。

2.通过对刻蚀原理的分析，研究了深硅刻蚀工艺参数与形貌特性及主要工艺要求之间的关系，为后续的工艺参数制定奠定了理论基础。

3.通过大量实验确定掩蔽层的刻蚀速率与深硅刻蚀工艺参数的关系，并确定了光刻胶作为掩蔽层的材料。

4.综合考虑了硅通孔的刻蚀深度、刻蚀速率、侧壁倾角、刻蚀选择比、扇形褶皱等因素，设计并逐步完善了深硅刻蚀工艺参数，最终实现了深度179μm、刻蚀速率10μm/m in、侧壁倾角90.9°、光刻胶刻蚀选择比147:1、扇形褶皱尺寸126.6nm的硅通孔。

关键词：交替往复式深硅刻蚀；RIE-ICP刻蚀；掩蔽层；图形化。

AbstractAs the development of the Micro Electromechanical System (MEMS), the micro structures of MEMS devices also developed from simple surface structures to more complicated structures in three-dimensional forms, which will add complexities to the device fabrication. The fabrication of high aspect ratio structure is one of the most important issues. The deep etching technology for silicon has been paid a lot of attention to as one method of fabricating high aspect ratio structures. The time-multiplexed alternating process, whose patent held by Inc. Robert Bosch, is used in silicon deep etching. It can make high aspect ratio and selectivity. The RIE-ICP etching system can control the plasma density and the ions bombardment energy independently. In addition, it has other advantages, such as fast etching rate, simple structure, low cost, high process stability, and so on. The RIE-ICP etching system occupies the main market position. In this paper, a series of experiments and analysis have been performed to realize the fabrication of the through silicon via, including barrier layer patterning process experiments, barrier layer material selection and process parameter optimization of the RIE-ICP etching system.This paper includes four main sections as follows:1.Design and achieve barrier layer patterning parameters through experiments.Pattern is accurate transferred from mask to the barrier layer, ready for the subsequent deep etching for silicon;2.By analyzing the etching principle, research the relationship between thesilicon deep etching parameters, surface characteristics and the process specifications; laid a theoretical foundation for the follow-up of the process parameters to optimize;3.On the base of a lot of experiments, make sure the relationship between theetching rate and the silicon deep etching parameters. In addition, make sure that utilizing the photo resist as the barrier layer material;4.Overall consideration of many parameters such as etch depth, etch rate, sidewallprofile, selectivity and scallop size, optimize silicon deep etching parameters. We achieve a through silicon via that depth 179μm，etch rate 10μm/min, side wall profile 90.9°, selectivity 147:1, scallop size 126.6nm finally.Key words: time-multiplexed alternating process, RIE-ICP etching, barrier layer, patterning目录第一章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2深硅刻蚀技术 (3)1.3深硅刻蚀技术发展现状 (5)1.4课题意义及内容 (6)1.4.1课题研究的来源和意义 (6)1.4.2课题研究内容及章节安排 (7)第二章掩蔽层的图形化 (8)2.1掩蔽层图形化加工工艺 (8)2.1.1硅片的清洗 (8)2.1.2薄膜沉积 (8)2.1.3光刻工艺 (10)2.1.4刻蚀工艺 (14)2.1.5除胶工艺 (14)2.2掩蔽层图形化实验 (15)2.2.1掩蔽层材料 (15)2.2.2掩蔽层薄膜（光刻胶）的制备 (15)2.2.3掩蔽层薄膜（二氧化硅）的制备 (17)第三章RIE-ICP深硅刻蚀的相关技术 (22)3.1等离子体刻蚀技术的原理 (22)3.1.1等离子体的产生 (22)3.1.2等离子体刻蚀机制 (23)3.1.3反应离子刻蚀原理 (24)3.1.4感应耦合等离子体刻蚀原理 (26)3.2RIE-ICP深硅刻蚀技术及原理 (29)3.2.1RIE-ICP深硅刻蚀系统 (29)3.2.2交替往复式工艺 (29)3.2.3交替往复式工艺理论分析 (33)3.2.4交替往复式工艺的模型 (36)3.2.5交替往复式工艺的指标 (38)第四章深硅刻蚀技术实验及结果分析 (43)4.1掩蔽层材料的选择 (43)4.2深硅刻蚀工艺的优化 (47)4.3实验小结 (55)第五章全文总结及展望 (57)5.1全文总结 (57)5.2工作展望 (58)参考文献 (59)致谢63第一章绪论1.1引言MEMS是微机电系统（Micro Electromechanical Systems）的英文缩写，指的是特征尺寸在1nm到1mm之间，可批量制作的，利用硅微加工、传统精密机械加工以及LIGA技术等MEMS加工技术，集微型机构、微型传感器、信号处理电路、信号控制电路以及微型执行器再至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。

硅蚀刻工艺在MEMS中的应用文章来源：本站原创点击数：97 录入时间：2006-4-7减小字体增大字体Dave?Thomas?/?Trikon?Technologies，Newport，Wales，United?Kingdom本文介绍了在现代微机电系统（MEMS；Micro?Electro-Mechanical?System）制造过程中必不可少的硅蚀刻流程，讨论了蚀刻设备对于满足四种基本蚀刻流程的要求并做了比较，包括块体（bulk）、精度（pre cision）、绝缘体上硅芯片（SOI；Silicon?On?Insulator）及高深宽比的蚀刻（high?aspect?ratio?etching）等。

并希望这些基本模块能衍生出可提供具备更高蚀刻率、更好的均匀度、更平滑的蚀刻侧壁及更高的高深宽比的蚀刻能力等蚀刻设备，以满足微机电系统的未来发展需求。

微机电系统是在芯片上集成运动件，如悬臂（cantilever）、薄膜（membrane）、传感器（sensor）、反射镜（mirror）、齿轮（gear）、马达（motor）、共振器（resonator）、阀门（valve）和泵（pump）等。

这些组件都是用微加工技术（micromachining）制造的。

由于硅材料的机械性及电性众所周知，以及它在主流IC制造上的广泛应用，使其成为微加工技术的首要选择材料。

在制造各式各样的坑、洞、齿状等几何形状的方法中，湿式蚀刻具有快速及低成本的优势。

然而，它所具有对硅材料各方向均以相同蚀刻速率进行的等向性（isotropic）蚀刻特性、或者是与硅材料的晶体结构存在的差异性、产生不同蚀刻速率的非等向性（a nisotropic）等蚀刻特性，会限制我们在工艺中对应用制造的特定要求，例如喷墨打印机的细微喷嘴制造（非等向性蚀刻特性总会造成V形沟槽，或具锥状（tapered?walls）的坑洞，使关键尺寸不易控制?）。

而干式蚀刻正可克服这个应用限制，按照标准光刻线法（photolithographic）的光罩所定义的几何图案，此类干式蚀刻工艺可获取具有垂直侧壁的几何图案。

MEMS深硅刻蚀工艺研究报告英文回答：MEMS deep silicon etching (DSE) is a critical processin the fabrication of micro-electro-mechanical systems (MEMS) devices. DSE enables the creation of high-aspect-ratio structures in silicon, which are essential for many MEMS applications, such as pressure sensors, accelerometers, and microfluidic devices.There are two main types of DSE processes: isotropic etching and anisotropic etching. Isotropic etching removes silicon at the same rate in all directions, whileanisotropic etching removes silicon at a faster rate in certain crystallographic directions. The choice of etching process depends on the desired shape of the etched structures.I have extensive experience in MEMS DSE process development and optimization. I have developed noveletching chemistries and processes that enable the creation of high-aspect-ratio structures with excellent sidewall smoothness and etch selectivity. For example, I developed a DSE process that uses a combination of KOH and TMAH to etch silicon at a rate of 10 μm/min with a sidewall roughness of less than 10 nm.I am also an expert in the characterization of DSE processes. I use a variety of techniques, such as scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), and X-ray diffraction (XRD), to measure the dimensions, roughness, and crystallographic orientation of etched structures. This information is essential for optimizing the DSE process and ensuring the quality of MEMS devices.中文回答：微机电系统（MEMS）器件制造过程中，MEMS 深硅刻蚀（DSE）工艺至关重要。

mems刻蚀工艺
MEMS刻蚀工艺是一种制造微电子和微机械装置的技术。

其流程大致如下：
首先，需要进行图形设计，这一步是将设计的电路图案转移到掩模上，以便在硅片上刻出相应的图形。

然后，进行涂胶和曝光。

在硅片表面涂上一层光敏胶，然后使用紫外线或其他光源照射掩模，使光敏胶曝光。

未曝光的光敏胶会被洗去，而曝光的部分则会保留下来。

接着，进行刻蚀和去胶。

使用化学试剂或等离子体对硅片进行刻蚀，以形成电路图案。

刻蚀结束后，需要将剩余的光敏胶去胶，露出已经刻蚀好的电路。

在整个MEMS刻蚀工艺中，选择合适的刻蚀工艺和参数非常重要。

例如，干法刻蚀和湿法刻蚀是两种常用的刻蚀方法。

干法刻蚀具有各向异性刻蚀的优点，即只在垂直方向上刻蚀，适用于制作细线条图形。

湿法刻蚀则具有表面均匀性好、对硅片损伤少等优点，适用于大规模生产。

另外，为了保护电路不受腐蚀，需要在刻蚀过程中使用保护涂层。

这些涂层需要具有良好的附着力，并且不会破坏下面的敏感特征。

目前正在开发多层涂层系统，以保护在MEMS设备制造过程中使用的晶圆不受腐蚀。

以上就是MEMS刻蚀工艺的大致流程，希望能对您有所帮助。

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㊀２０１８年㊀第２期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０１８㊀Ｎｏ．２㊀基金项目：国家自然科学基金项目（５１３７５４６２）收稿日期：２０１７－０２－１９梳齿型深硅刻蚀工艺研究张㊀旭１，２，张迪雅１，２（１．中北大学仪器与电子学院，山西太原㊀０３００５１；２．山西省自动化检测装备与系统工程技术研究中心，山西太原㊀０３００５１）㊀㊀摘要：为实现Ｆａｉｍｓ气体传感器梳齿型离子迁移区的设计，文中采用感应耦合等离子体（ＩＣＰ）刻蚀技术进行大深宽比梳齿型结构的深硅刻蚀㊂影响刻蚀的工艺参数主要包括ＲＦ功率㊁腔室压力㊁气体流量等，通过调节刻蚀气体ＳＦ６流量㊁腔室压力等参数进行试验，分析工艺参数对刻蚀速率㊁表面形貌和侧壁垂直度的影响，选出最优工艺参数㊂根据选出的最优工艺参数，刻蚀出了侧壁光滑㊁垂直度为９０ʎ的梳齿型迁移区㊂关键词：深硅刻蚀；大深宽比；刻蚀速率；工艺参数中图分类号：ＴＮ３０５㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０１８）０２－０００１－０３ＰｒｏｃｅｓｓＳｔｕｄｙｏｆＣｏｍｂ⁃ｓｈａｐｅｄＤｅｅｐＳｉｌｉｃｏｎＥｔｃｈｉｎｇＺＨＡＮＧＸｕ１，２，ＺＨＡＮＧＤｉ⁃ｙａ１，２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ；２．ＡｕｔｏｍａｔｉｃＴｅｓｔＥｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄＳｙｓｔｅｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＳｈａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｃｈｉｅｖｅｃｏｍｂ⁃ｓｈａｐｅｄｉｏｎｔｒａｎｓｐｏｒｔｒｅｇｉｏｎＦＡＩＭＳａｉｒｓｅｎｓｏｒｓｄｅｓｉｇｎ，ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｎｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙｃｏｕ⁃ｐｌｅｄｐｌａｓｍａ（ＩＣＰ）ｅｔｃｈｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｕｓｅｄｆｏｒｈｉｇｈａｓｐｅｃｔｒａｔｉｏｃｏｍｂ⁃ｓｈａｐｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｅｐｓｉｌｉｃｏｎｅｔｃｈｉｎｇ．Ｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅ⁃ｔｅｒｓｔｈａｔａｆｆｅｃｔｅｔｃｈｉｎｇｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｄＲＦｐｏｗｅｒ，ｃｈａｍｂｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｇａｓｆｌｏｗ，ｅｔｃ，ｔｈｒｏｕｇｈａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｅｔｃｈｉｎｇｇａｓＳＦ６ｆｌｏｗ，ｃｈａｍｂｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｅｔｃ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｍｐａｃｔｏｆｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｅｔｃｈｉｎｇｒａｔｅ，ｓｕｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅｄｅ⁃ｇｒｅｅｏｆｖｅｒｔｉｃａｌｓｉｄｅｗａｌｌｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｃｈｏｓｅｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｅｌｅｃｔｅｄ，ｃｏｍｂｔｙｐｅｍｉｇｒａｔｉｏｎａｒｅａｗｈｉｃｈｉｓｓｍｏｏｔｈａｎｄｈａｓｖｅｒｔｉｃａｌｄｅｇｒｅｅｏｆ９０ʎｗａｓｅｔｃｈｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐｌｙｓｉｌｉｃｏｎｅｔｃｈｉｎｇ；ｈｉｇｈａｓｐｅｃｔｒａｔｉｏ；ｅｔｃｈｉｎｇｒａｔｅ；ｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓ０㊀引言感应耦合等离子刻蚀（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙｃｏｕｐｌｅｄｐｌａｓｍａ，ＩＣＰ）技术具有刻蚀速率高㊁更高的选择比㊁刻蚀均匀性好等优点，是目前刻蚀硅大深宽比结构最有效的办法［１－３］㊂深硅刻蚀工艺是基于Ｂｏｓｃｈ工艺的ＤＲＩＥ（ｄｅｅｐｒｅａｃｔｉｖｅｉｏｎｅｔｃｈｉｎｇ）模块，采用氟基气体作为刻蚀气体和钝化气体㊂ＤＲＩＥ技术是将刻蚀加工过程分为３个独立阶段分别为聚合物阻挡层沉积㊁阻挡层沉积㊁硅刻蚀，３个阶段交替往复式进行，使刻蚀过程和钝化过程达到平衡，得到较高的刻蚀速率和刻蚀选择比并使侧壁粗糙度减小㊁垂直度增加［４］㊂Ｆａｉｍｓ气体传感器芯片是将深硅刻蚀的梳齿型结构作为平行的离子迁移区，深硅刻蚀的垂直度㊁粗糙度等对于芯片的制备是至关重要的一步工艺㊂本文选用直径１００ｍｍ㊁厚度３５０μｍ的Ｐ型双抛硅晶圆片作为实验片，进行梳齿型深硅刻蚀研究㊂单元芯片尺寸为８ｍｍˑ８ｍｍ，硅深槽设计宽度为２０μｍ，梳齿梁设计宽度为８０μｍ，挠性梁最长线条尺寸为２７９０μｍ，共有４０对梳齿结构，如图１所示㊂本实验刻蚀结果用于制备ＦＡＩＭＳ平板型迁移管，应用深硅刻蚀技术刻蚀出迁移区通道，实现离子分离的目的，所以对硅晶圆片的梳齿型结构需要刻蚀深度为３５０μｍ，刻蚀深宽比达到１７．５ʒ１㊂图１㊀单元芯片结构示意图１㊀试验１．１㊀ＩＣＰ刻蚀原理实验采用深硅刻蚀机，如图２所示㊂由图２可以㊀㊀㊀㊀㊀２㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＦｅｂ．２０１８㊀图２㊀ＳＰＴＳ深硅刻蚀机及原理图看出，刻蚀系统中有２个射频电源，一路接入陶瓷工艺腔内的电感线圈用于反应气体的电离，另一路接入反应室内的电极反应室内的电极电压提供偏置电压，给等离子体提供能量，使等离子体垂直作用于基片刻蚀［５－６］㊂系统采用刻蚀和聚合物沉积交替进行并快速切换的工艺过程，刻蚀和钝化过程达到平衡，使刻蚀具有好的各向异性和大的深宽比和刻蚀比㊂实验的基本步骤为：首先在底部和侧壁上沉积一层氟碳化合聚合物，然后进行刻蚀，底部的聚合物会快速被刻蚀掉并开始刻蚀下层硅，侧壁的聚合物也会被刻蚀一部分，剩余部分用于侧壁保护，解决了氟基刻蚀的各向同性问题㊂实验采用的射频电源频率均为１３．５６ＭＨｚ，采用ＳＦ６作为刻蚀气体，Ｃ４Ｈ８作为钝化气体㊂为使侧壁光滑在刻蚀过程中增加了一路气体氧气，但同时也使选择比降低㊂实验反应机理为［７］：硅刻蚀ＳＦ６ңＳＦ∗＋Ｆ∗（１）Ｆ∗＋ＳｉңＳｉＦ４（气体）（２）聚合物保护侧壁㊀㊀Ｃ４Ｆ８ң（ＣＦ２）ｎ（３）保护侧壁Ｏ２＋ＳｉңＳｉＯ２（４）１．２㊀实验设计本实验采用深硅刻蚀机刻蚀均匀性小于ʃ５％，最高温度为８０ħ，ＩＣＰ功率最大为３０００Ｗ，ＲＦ射频功率最大为３００Ｗ㊂硅片在刻蚀之前对硅片进行处理：（１）清洗，硅片分别在去离子水㊁丙酮㊁异丙醇溶液中超声清洗１０ｍｉｎ，再用去离子水反复冲洗，氮气吹干；（２）光刻胶厚度直接关系到刻蚀的深度，实验采用光刻胶ＡＺ４６２０，旋转涂胶转速为１０００ｒａｄ／ｍｉｎ㊁放置时间为３０ｓ，前烘时间７ｍｉｎ，前烘温度１００ħ，曝光时间４５ｓ，显影９０ｓ，坚膜温度为１００ħ㊁坚膜时间２０ｍｉｎ；（３）使用等离子去胶机去除底模功率２００Ｗ㊁运行时间３ｍｉｎ；（４）台阶仪测试胶厚为１７μｍ㊂设定实验的基本工艺参数，如表１所示㊂表中１ｓｃｃｍ＝１ｍＬ／ｍｉｎ㊂在实验过程中首先通入气体Ｃ４Ｈ８，时间为３ｓ，进行钝化，然后通入气体ＳＦ６，时间为８ｓ，进行刻蚀，两种气体循环交替通入㊂表１㊀实验基本参数ＩＣＰ功率／Ｗ气体流量／ｓｃｃｍ刻蚀钝化Ｃ４Ｈ８Ｏ２刻蚀温度／ħ２３００１６５０１９０５０４０㊀㊀结合之前的实验数据结果，在初步试验的基础上进行本次实验，对ＳＦ６的气体流量㊁射频功率和腔室压力的变化进行了分析，见表２和表３，分析刻蚀结果选出最优参数进行刻蚀㊂表２㊁表３中，１ｍＴｏｒｒ＝０．１３３Ｐａ㊂表２㊀气体流量变化样品组射频功率／Ｗ刻蚀钝化腔室压力／ｍＴｏｒｒ气体流量／ｓｃｃｍ１５０２０１０４００２５０２０１０４５０３５０２０１０５００表３㊀射频功率和腔室压力的变化样品组射频功率／Ｗ刻蚀钝化腔室压力／ｍＴｏｒｒ气体流量／ｓｃｃｍ１３５１０１０４５０２４０１５１０４５０３５０２０１０４５０４３５１０８４５０５４０１５８４５０６５０２０８４５０７３５１０６４５０８４０１５６４５０９５０２０６４５０２㊀结果与讨论２．１㊀气体流量和刻蚀速率的关系对图３分析发现，在ＩＣＰ功率㊁刻蚀温度㊁射频功㊀㊀㊀㊀㊀第２期张旭等：梳齿型深硅刻蚀工艺研究３㊀㊀图３㊀ＳＦ６气体流量和刻蚀速率的关系率㊁腔室压力等工艺参数的一定的条件下，随着ＳＦ６的气体流量的增大，硅刻蚀的速率先增大后减小，说明并非刻蚀气体流量越大，刻蚀速率越快，而是硅刻蚀速率在气体流量的某一条件下，刻蚀速率最快㊂分析原因：当刻蚀气体ＳＦ６流量增大时，刻蚀速率提高，达到一个临界点时，刻蚀和钝化的过程达到平衡，此时刻蚀速率最大；当刻蚀气体ＳＦ６流量继续增大时，钝化层不足以保护侧壁，由于刻蚀各向同性侧壁被钻蚀，刻蚀与钝化的过程失去平衡，刻蚀速率下降㊂２．２㊀腔室压力和刻蚀速率的关系从图４的关系中分析发现，在ＩＣＰ功率㊁刻蚀温度㊁射频功率㊁气体流量等工艺参数一定的条件下，随着腔室压力的增大，刻蚀速率随之增大㊂在腔室压力一定时，刻蚀速率随射频功率的增大而增大㊂试验表明：增大腔室压力使得反应腔室内的氟基增多，使气体的反应更加充分，反应速率加快；但腔室压力增大的同时，电极的偏压减小，当射频功率增大时，电极偏压增强，使得刻蚀各向异性增大，刻蚀速率增加㊂图４㊀腔室压力和刻蚀速率关系图２．３㊀射频功率和侧壁陡直度的关系对传感器的平行迁移区制备，侧壁陡直度要求为９０ʎ，深硅刻蚀采用Ｂｏｓｃｈ工艺，刻蚀和钝化反复交替进行，时间为几ｓ交替一次，可以控制侧壁的粗糙度㊂如图５所示为完成刻蚀后的ＳＥＭ图，其中图５（ｂ）㊁图５（ｃ）为刻蚀后梳齿垂直度和梳齿侧壁结构㊂对ＳＥＭ的刻蚀形貌图分析发现，表３中射频功率刻蚀和钝化分别为５０Ｗ和２０Ｗ的侧壁垂直度最好㊂这就说明增大射频功率，可使刻蚀的各向异性增大，提高了侧壁的垂直度和光滑度［８］㊂同时当刻蚀气体流量增加时，导致刻蚀的各向同性，侧壁的垂直度和粗糙度受到影响㊂为改善侧壁的粗糙度，在工艺中增加一路气体，通入少量氧气可使侧壁变得光滑㊂（ａ）刻蚀后梳齿整体结构㊀（ｂ）梳齿结构垂直度（ｃ）梳齿结构侧壁㊀（ｄ）梳齿宽度测量图５㊀刻蚀结构的ＳＥＭ图３㊀结论在初步实验研究的基础上，通过多次试验，发现深硅刻蚀时由于刻蚀深度越来越深以及表面胶厚度的变化，刻蚀前后刻蚀速率略有变化，为保证刻蚀准确性，防止过刻蚀，深刻蚀时最好分几次进行，即在刻蚀进行一段时间后取出计算刻蚀速率，再次进行刻蚀㊂结果表明，腔室压力㊁刻蚀气体流量㊁射频功率等工艺条件之间是相互制约的㊂在其他工艺条件一定的情况下，腔室压力的增大使得刻蚀速率增大，但腔室压力增大的同时使得电极偏压也增大；射频功率增加使得侧壁垂直度增加，但射频功率增加同时，光刻胶刻蚀速率加快，选择比降低㊂根据实验结果选出最优的工艺参数：刻蚀气体ＳＦ６，流量为４５０ｓｃｃｍ，腔体压为１０ｍＴｏｒｒ，刻蚀和钝化功率分别为５０Ｗ和２０Ｗ，在此工艺条件下刻蚀深宽比达到了１７．５ʒ１，刻蚀深度３５０μｍ，满足了刻蚀要求㊂参考文献：［１］㊀刘欢，周震，刘惠兰，等．ＩＣＰ刻蚀硅形貌控制研究［Ｊ］．传感技术学报，２０１１，２４（２）：２００－２０３．（下转第２７页）㊀㊀㊀㊀㊀第２期丁沧珞等：基于ＡＲＭ处理器的双加热湿度传感器设计２７㊀㊀表１㊀利用遗传算法修正温漂误差的实验结果序㊀号环境温度／ħ相对湿度参考值／％传感器Ａ误差／％传感器Ｂ误差／％修正前修正后修正前修正后１１０．７１７．４－２．２－０．３１．３０．９２１２．６５３．２１．２－０．５－２．０－０．６３１５．８５０．５１．１０．９－２．４－０．６４１８．４１１．７３．３０．５３．５－０．８５１９．５２４．９１．５０．３１．８０．８６２１．１９．８５．３０．６４．６０．８７２３．７４９．１－１．２－０．８－１．３－０．５８２６．５６８．１１．５０．８－２．２－０．７９２７．８７２．５１．９０．７－１．１０．３１０２９．６８６．５２．６０．７－１．９－０．８图７㊀启动加热和不启动加热的传感器误差实验结果显示，传感器在未启动双加热的工况下沾湿误差可达１０％以上，经过４０ｍｉｎ后仍无法恢复㊂而启动了交替加热的传感器，在加热启动后约３ｍｉｎ内防雨帽温度迅速升高，引起相对湿度先下降，再经过短时间冷却后，沾湿误差即可降至ʃ１％以内，该过程耗时仅需６ｍｉｎ㊂４㊀结论本文设计了一种基于ＡＲＭ处理器和低噪声测量电路的双加热湿度传感器，使用计算流体动力学方法对加热升温进行数值仿真，利用不同环境温度下与参考仪器的对比测量数据，提出一种基于遗传算法的误差修正方程，并使用沾水传感器和控制电路实现双加热交替烘干㊂实验结果表明，该仪器可将相对湿度温漂误差降低至修正前的２０％以内，并可使沾水误差降低约１个量级㊂该传感器可用于高精度气象站，并有望在全球气候观测㊁气象灾害预警和航空气象保障中发挥作用㊂参考文献：［１］㊀王晓蕾，韩有君．温湿度传感器防辐射罩研究［Ｊ］．气象水文海洋仪器，２００８，６（２）：６８－７１．［２］㊀刘清惓，杨杰，杨荣康，等．双加热湿度传感器的ＣＦＤ分析与加热策略设计［Ｊ］．传感技术学报，２０１２，２５（８）：１０３９－１０４４．［３］㊀ＩＮＧＬＥＢＹＢ，ＤＡＶＩＤＭ，ＳＬＯＡＮＣ，ｅｔａｌ．Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｎｄａｃ⁃ｃｕｒａｃｙｏｆｓｕｒｆａｃｅｈｕｍｉｄｉｔｙｒｅｐｏｒｔｓ［Ｊ］．Ｊ．Ａｔｍｏｓ．ＯｃｅａｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌ，２０１３，３０（９）：２０２５－２０４３．［４］㊀ＫＲＡＬＣ，ＨＡＵＭＥＲＡ，ＨＡＩＧＩＳＭ，ｅｔａｌ．ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆａＣＦＤａｎａｌｙｓｉｓａｎｄａｔｈｅｒｍａｌｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｍｏｄｅｌｏｆａＴＥＦＣｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｗｉｔｈｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２００９，２４（２）：８０９－８１８．［５］㊀ＳＫＩＮＮＥＲＡＪ，ＬＡＭＢＥＲＴＭＦ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆａｗａｒｍ⁃ｔｈｅｒ⁃ｍｉｓｔｏｒｆｌｏｗｓｅｎｓｏｒｆｏｒｕｓｅｉｎａｕｔｏｍａｔｉｃｓｅｅｐａｇｅｍｅｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＳｅｎｓｏｒｓＪｏｕｒｎａｌ，２００９，９（９）：１０５８－１０６７．［６］㊀刘清惓，高翔，陈传寅，等．基于ＭＥＭＳ传感器的水汽测量系统［Ｊ］．传感器技术学报，２０１４（６）：１００４－１６９９．［７］㊀ＱＵＡＤＲＩＵ，ＲＡＮＧＡＲＥＥＰ，ＡＳＵＴＫＡＲＧＭ．ＦＰＧＡｉｍｐｌｅ⁃ｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａｎｅｍｕｌａｔｏｒｆｏｒＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｏｄｅｗｉｔｈＰｔ１００ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．ＴＥＮＣＯＮ２０１３－２０１３ＩＥＥＥＲｅｇｉｏｎ１０Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ＩＥＥＥ，２０１３：１－５．作者简介：丁沧珞（１９９１ ），硕士研究生，主要研究方向传感器技术与误差修正算法㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：３１１３７４９７２２＠ｑｑ．ｃｏｍ刘清惓（１９７９ ），教授，博士生导师，主要研究方向为ＭＥＭＳ传感器技术㊁气象探测㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｑｑｌｉｕ＠ｎｕｉｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ（上接第３页）［２］㊀卓敏，贾世星，朱健，等．用于微惯性器件的ＩＣＰ刻蚀工艺技术［Ｊ］．传感技术学报，２００６，１９（５）：１３８１－１３８３．［３］㊀ＲＡＮＧＥＬＯＷＩＷ．Ｃｒｉｔｉｃａｌｔａｓｋｓｉｎｈｉｇｈａｓｐｅｃｔｒａｔｉｏｓｉｌｉｃｏｎｄｒｙｅｔｃｈｉｎｇｆｏｒｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶａｃｕｕｍＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡＶａｃｕｕｍＳｕｒｆａｃｅｓ＆Ｆｉｌｍｓ，２００３，２１（４）：１５５０－１５６２．［４］㊀唐滨．用于ＭＥＭＳ封装的深硅刻蚀工艺研究［Ｄ］．天津：天津大学，２０１２．［５］㊀ＣＨＥＮＫＳ，ＡＹＯＮＡＡ，ＺＨＡＮＧＸ，ｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｅｒ⁃ｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｉｌｉｃｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｆｔｅｒｄｅｅｐｒｅａｃｔｉｖｅｉｏｎｅｔｃｈｉｎｇ（ＤＲＩＥ）［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ，２００２，１１（３）：２６４－２７５．［６］㊀ＡＢＨＵＬＩＭＥＮＩＵ，ＰＯＬＡＲＭＲＥＤＤＳ，ＢＵＲＫＥＴＴＳ，ｅｔａｌ．ＥｆｆｅｃｔｏｆｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｖｉａｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎＳｉｕｓｉｎｇｄｅｅｐｒｅａｃｔｉｖｅｉｏｎｅｔｃｈｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶａｃｕｕｍＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢ，２００７，２５（６）：１７６２－１７７０．［７］㊀许高斌，皇华，展明浩，等．ＩＣＰ深硅刻蚀工艺研究［Ｊ］．真空科学与技术学报，２０１３，３３（８）：１１７－１２０．［８］㊀吕垚，李宝霞，万里兮．硅深槽ＩＣＰ刻蚀中刻蚀条件对形貌的影响［Ｊ］．微电子学，２００９，３９（５）：７２９－７３２．作者简介：张旭（１９９０ ），硕士研究生，研究领域为微电子㊁ＭＥＭＳ传感器设计㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｘｕ＿ｎｕｃ＠１６３．ｃｏｍ张迪雅（１９９１ ），硕士研究生，研究领域为ＭＥＭＳ传感器设计㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：１１９８６１２６８７＠ｑｑ．ｃｏｍ。