基于ICP的金属钛深刻蚀，它的实验流程是怎样的

摘要：MEMS应用领域的扩展要求开发硅材料之外其他新型材料的三维微细加工技术．为此，对金属钛这一新型MEMS体材料的三维加工进行了探索．金属钛不仅延展性和导电性好，且断裂韧度高、高低温特性以及生物兼容性好．采用电感耦合等离子体源(inductivelycoupledpla蛐，I凹)技术对金属钛进行三雏深刻蚀，采用不同刻蚀掩模、氯基刻蚀气体，研究了线圈功率、平板功率和娼流量对刻蚀速率和选择比等工艺参数的影响，并对砸深刻蚀参数进行了优化，得到0．91州面n的刻蚀速率，可实现光滑表面和陡直侧壁。

硅材料具有很高的强度和一系列优秀的机械特性，在MEMS技术中已经得到广泛应用并取得了巨大成功．但是硅和各种硅基化合物材料脆性大、延展性差、断裂韧度(‰tou#m嘲)很低且抗冲击能力差，随着MEMS应用领域的不断扩大，机械结构的复杂化和器件性能要求的提高，需要开发硅材料之外其他新型材料的三维微细加工技术n引．金属钛作为一种金属材料，不仅具有延展性和导电性好的优点，并且还具备断裂韧度高、高低温特性好、耐腐蚀以及生物兼容好等一系列优良特性．2003年起，美国MacDonald等使用PdE、ICP工艺对50．8rain

(2iII)金属钛方片(sheet)衬底进行了深刻蚀，制作出垂直性好、高深宽比的微小齿轮及执行器等一大批微小零件和结构，钛基MEMS加工技术已成为当前的研究热点．

本文采用电感耦合等离子体源(inductivelycoupledplasma，icP)技术对体材料金属钛进行三维深刻蚀，可以加工出高深宽比的结构，工艺简单，制作出的微结构质量高、内应力小，可以实现低成本、大批量生产．本研究采用了101．6mm(4i11)高纯度金属钛圆片(纯度为99．9％，厚度为500vm)衬底，避免了方片加工所必须的载片工序，解决了深刻蚀中装载黏结剂的漏气、分解和退化等问题，并且为器件版图提供了更大的面积；更重要的是，由于101．6ram(4i11)圆片与主流半导体和硅微机械加工设备兼容，还可以方便地借用其他半导体和微机械加工技术，如双面对准和键合技术实现更广泛的MEMS应用MJ．

1金属钛ICP深刻蚀实验

1．1实验设计

采用英国STSMultiplexICP刻蚀机对金属钛进行了深刻蚀实验，采用氯基的刻蚀气体C12．钛片为自行定制的纯度为99．9％的101．6ram(4irI)化学纯钛圆片，厚度为500van．实验前对圆片进行了单面化学机械抛光(CMP)，表面粗糙度低于1nnl．CMP抛光后的钛片表面可达镜面效果，如图1所示．

针对不同的刻蚀掩模进行了不同批次的实验．先使用AZ4620光刻胶作为掩模进行了刻蚀实验，研究了线圈功率、平板功率、刻蚀气体C12流量和腔体气压对工艺参数的影响，并对工艺条件进行优化，初步确定了一组优化工艺参数；然后在此基础上，采用金属镍作为刻蚀掩模，研究不同工艺条件对刻蚀图形表面粗糙度的影响，确定最终的优化工艺条件．

1．2实验流程

实验的具体操作流程如下所述．

(1)钛片清洗．先采用丙酮和异丙醇分别对钛片超声清洗5rain，清洗两次后采用5％的稀盐酸在40℃下对钛片进行去钾离子清洗．

(2)掩模刻蚀．光刻制备AZ4620厚胶掩模，或光刻腐蚀制备金属镍掩模．

(3)钛片ICP深刻蚀．调节不同线圈功率、平板功率、刻蚀气体流量和腔体气压对钛片进行深刻蚀，观察工艺条件对刻蚀图形的影响．

2结果分析

2．1线圈功率的影响

线圈功率可控制等离子体密度，增大线圈功率，有助于C12的离子化和原子分裂，从而增大离子和原子团的密度，使刻蚀速率增大，刻蚀选择比也增大．图2所示为不同线圈功率的影响，固定平板功率为100W，刻蚀气体C12流量为30sccIII，腔体气压为3．99Pa(3lnT)(5C中的刻蚀选择比都是对于AZ4620光刻胶的)．

刻蚀图形的粗糙度会随着线圈功率的增大而增大，过高时会引起微掩模现象．适当降低线圈功率和Q2流量，可在保证刻蚀速率前提下有效抑制微掩模现象，如表1所示(固定平板功率为100W，腔体气压为3．99Pa)．

2．2q流量的影响

C12的影响一般以流量来衡量．增大C12流量，会使刻蚀速率增大，不同c12流量对刻蚀速率和刻蚀选择比的影响如图3所示(固定线圈功率为600W，平板功率为100W，腔体气压为3．99Pa)，为避免出现表l中的微掩模现象，c12流量为608ccnl时采用了500W线圈功率．

2．3平板功率的影响

平板功率可控制衬底表面离子能量，即对ICP刻蚀中物理轰击作用影响较大；而金属钛ICP刻蚀主要以化学作用为主，故与线圈功率相比，平板功率对刻蚀速率的影响要小得多．增大平板功率会使刻蚀速率有一定提高，但当反应不再受限于衬底表面粒子能量的大小即物理轰击的强弱，而是受限于化学作用的强弱时，速率将不再增大，如图4所示(固定线圈功率为500w，刻蚀气体Q2流量为60flCCITI，腔体气压为3．99Pa)．可见随平板功率的增大，刻蚀速率先增大后减小，而由于物理轰击作用的增强，刻蚀选择比是降低的．

2．4刻蚀图形粗糙度

综合考虑线圈功率、平板功率和刻蚀气体流量对工艺参数的影响．在较大的线圈功率(如400w或500w)、适中的平板功率和刻蚀气体流量(如lOOw和60so哪c12流量)条件下，可以保证较快的刻蚀速率和较大的刻蚀选择比．在此基础上，笔者采用了单面CMP抛光的钛片和金属镍掩模研究了工艺条件对刻蚀图形表面粗糙度的影响．当平板功率为100W、刻蚀气体流量为608ccln、腔体气压为3．99Pa时，不同的线圈功率(500w和400W)刻蚀条件下得到的刻蚀图形表面形貌SEM图分别如图5(a)和图5(b)所示，具体工艺参数如表2所示．

可见500W线圈功率时刻蚀得到的底面底部颗粒多，粗糙度比较大，其底部颗粒图片如图6所示(线圈功率为500W，平板功率为100W，c12流量为60seem，腔体气压为3．99Pa)，而线圈功率为400w条件下底面则较光滑． 

3实验结果

结合上述分析，本文确定了一组优化工艺参数：线圈功率为400W，平板功率为100W，C12流量为608c咖和腔体气压为3．99Pa．此条件下对应O．91舢／min的刻蚀速率，可以得到表面光滑的刻蚀图形．刻蚀图形SEM照片如图7所示．

4结语

采用不同刻蚀掩模——A2舶20和金属Ni，对金属钛衬底进行了ICP三维深刻蚀实验，研究了线圈功率、平板功率和C12流量对金属钛刻蚀速率、选择比和刻蚀图形粗糙度等的影响，并初步确定了一组金属钛深刻蚀参数：C12流量1008Cb"q'll，线圈功率400W，平板功率100W，压强3．99Pa，取得了0．91州miIl的刻蚀速率，并可得到具有光滑表面的刻蚀图形．

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