[發明專利]一種刻蝕金屬鎢材料的方法

有效

• 申請號: 201110362347.7
• 申請日: 2011-11-15
• 公開（公告）號: CN102372250A
• 公開（公告）日: 2012-03-14
• 發明（設計）人: 陳兢;胡佳;張軼銘;陳書慧;李男男;李天宇
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 李稚婷

技術領域

本發明屬于微電子機械系統(MEMS)工藝技術領域，特別涉及一種各向異性、高速率干法刻蝕金屬鎢體材料的方法。

背景技術

在MEMS器件加工制造中，傳統結構襯底材料通常采用單晶硅材料，而單晶硅材料存在一些固有缺陷，如脆性高，抗沖擊能力差；相對金屬材料其導電性較差，電阻率相較高；熱穩定性相對較差，楊氏模量在超過600℃的時候會發生明顯變化，不適于高溫條件下應用，影響了器件的應用范圍。

金屬鎢材料是自然界熔點最高的金屬(3410℃)，同時具有高強度、高硬度、低電阻率的特點。金屬鎢材料耐高溫，耐沖擊、耐磨損，熱穩定性好，能夠保證器件在高溫條件下穩定工作，是MEMS器件加工制造結構材料的很好的選擇，尤其適用于高溫等較為惡劣或極端的環境。傳統鎢材料多采用物理或化學沉積等方法形成薄膜，但由于工藝限制和應力等原因，薄膜厚度一般不超過2微米，影響了器件的設計和制造。如果能夠以金屬鎢體材料作為結構材料取代傳統的單晶硅體硅材料制作MEMS開關、MEMS諧振器、MEMS探針、微細電火花加工電極等器件，由于前面所述特性，這些器件將具有更優越的電學、力學和耐高溫等特性。金屬鎢是微電子芯片測試探針的主要材料，隨著芯片節距的縮小，探針和探針卡也需要用新的微細加工方式實現微小化，相較目前的單晶硅微探針(卡)，金屬鎢體材料形成的微探針(卡)具有硬度高、磨損率低、電阻低、可靠性高的優點。

由于金屬鎢材料高密度高硬度等性質，傳統的反應離子刻蝕工藝對其產生的刻蝕速率非常低，橫向鉆蝕也較大，無法在相對較短時間內實現大深度、高深寬比的刻蝕，無法滿足MEMS器件的制造需求。因此，目前對金屬鎢材料的應用多是在集成電路工藝中，通過物理或化學沉積的方法制備一層厚度小于2微米的薄膜，而后利用傳統反應離子刻蝕工藝對其進行加工，制備出器件的一部分，如金屬柵、金屬互聯、金屬二極管等，使用的刻蝕氣體或氣體組合涉及CF₄，CF₄+O₂，Cl₂，Cl₂+O₂，SF₆，SF₆+O₂，NF₃，CCl₄+O₂等，采用的刻蝕方法涉及平板等離子體刻蝕(PE)、反應等離子體刻蝕(RIE)、電子回旋共振等離子體刻蝕(ECR)等，由于等離子體密度相對較低(小于10¹⁰-10¹²cm^-3)，能量低，產生的刻蝕速率一般遠小于1微米每分鐘。

目前，沒有相關報道采用金屬鎢體材料作為主要結構制備的MEMS器件，而現有薄膜鎢材料的刻蝕工藝速率普遍較低，各向異性差，成為主要瓶頸。適用于金屬鎢體材料的加工，能實現高速率、高深寬比的刻蝕的工藝方法尚無報道。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠對金屬鎢材料實現高深寬比刻蝕的方法，特別是可以實現金屬鎢體材料的各向異性、高速率刻蝕的方法，以擴展金屬鎢體材料在MEMS器件制備領域中的應用。

本發明對金屬鎢材料(尤其是金屬鎢體材料)進行刻蝕的方法是，在金屬鎢材料上形成刻蝕掩膜，然后采用等離子體密度大于10¹²cm^-3的高密度等離子體干法刻蝕對金屬鎢材料進行刻蝕。

現有的感應耦合等離子體(ICP)和變壓器耦合等離子體(TCP)等干法刻蝕工藝經優化后都可以產生高密度等離子體。優化的線圈功率是≥600W，用于產生高密度等離子體，進而實現高速率刻蝕；優化的平板功率是≥150W，輔以增加離子轟擊襯底能量以及調整轟擊方向，進而實現高刻蝕速率下的各向異性。

進一步的，為了增加刻蝕速率和刻蝕的各向異性，刻蝕過程中下電極托盤設置溫度≤5℃，刻蝕腔體內氣壓≤50mTorr。采用較低的襯底托盤溫度和較低的腔體氣壓可以增強對金屬鉬材料刻蝕的各向異性，增加刻蝕結果側壁的陡直度。

氟基氣體，氯基氣體和溴基氣體均可在上述條件下對金屬鎢材料產生刻蝕，其組合也可以在上述條件下對金屬鎢材料產生刻蝕，對前述各種氣體或氣體組合增加O2，Ar等氣體可以進一步增加刻蝕速率以及刻蝕側壁陡直度。