專利名稱：一種刻蝕金屬鉬材料的方法
技術領域：
本發明屬于微電子機械系統(MEMQ工藝技術領域，特別涉及一種各向異性、高速率刻蝕金屬鉬體材料的方法。
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，電阻率較高； 熱穩定性相對較差，楊氏模量在超過600°C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。金屬鉬材料具有高熔點)、高強度、高硬度、低電阻率的特點。金屬鉬材料耐高溫，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。傳統鉬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。如果能夠以金屬鉬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探針卡等器件，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。金屬鉬是最常用的電火花工具電極材料之一，金屬鉬體材料通過微細加工形成工具微電極，可用于微細電火花加工；相較銅等微細金屬電極材料，金屬鉬體材料微電極磨損率低，加工耐久性強，加工精度高，可以有效提高加工質量和穩定性。由于金屬鉬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，目前對金屬鉬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+02，Cl2, Cl2+02, SF6, SF6+02，NF3, CCl4+02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IOici-IO12cnT3)，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鉬體材料作為主要結構制備的MEMS器件，而現有鉬材料的刻蝕工藝速率普遍較低，各向異性差成為主要瓶頸。適用于金屬鉬體材料的加工，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鉬材料實現高深寬比刻蝕的方法，特別是可以實現金屬鉬體材料的各向異性、高速率刻蝕的方法，以擴展金屬鉬體材料在MEMS器件制備領域中的應用。
本發明對金屬鉬材料(尤其是金屬鉬體材料)進行刻蝕的方法是，在金屬鉬材料上形成刻蝕掩膜，然后采用等離子體密度大于IO12CnT3的高密度等離子體干法刻蝕對金屬鉬材料進行刻蝕。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°C，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鉬材料產生刻蝕，其組合也可以在上述條件下對金屬鉬材料產生刻蝕，對前述各種氣體或氣體組合增加02、Ar等氣體可以進一步增加刻蝕速率以及刻蝕側壁陡直度。進一步的，本發明優選采用sf6+A的氣體組合作為刻蝕氣體，通過調節Α比例來增加刻蝕速率和刻蝕結果側壁的陡直度，A氣體流量占刻蝕氣體總流量(SF6和A氣體流量總和)的60% 80%。此外，在刻蝕氣體中添加Cl2能進一步增加刻蝕速率和刻蝕結果側壁的陡直度。在本發明的一些具體實施例中，采用ICP對金屬鉬體材料進行刻蝕的具體刻蝕參數是用于產生感應耦合等離子體的線圈功率為600瓦 1000瓦；用于增加等離子體能量的平板功率為100瓦 400瓦；下電極托盤設置溫度彡50C ；腔體氣壓彡50mTorr (約 6. 65Pa)；結構刻蝕氣體是SF6和O2，其中SF6氣體流量為50sccm 200sccm，O2氣體流量占結構刻蝕氣體總流量(SF6和O2氣體流量總和)的60% 80%。在某些情況下，在刻蝕氣體中添力卩Cl2, Cl2氣體流量為5sccm 50sccm。本發明刻蝕金屬鉬材料的刻蝕掩膜可以是光刻膠掩膜或硬掩膜。相比于正性光刻膠(如AZ4620膠)，負性光刻膠(如SU-8膠)的掩蔽能力較強，特別是在刻蝕氣體中仏氣體流量較大的情況下，正性光刻膠難以起到掩蔽作用，需要采用負性光刻膠作為掩膜材料。 為實現高深度的刻蝕，負性光刻膠掩膜的厚度一般在20微米以上。適用于本發明的硬掩膜材料包括Al薄膜、AlN薄膜、Cr薄膜、Ni薄膜、Cu薄膜、Ti 薄膜等，為實現高深度的刻蝕，硬掩膜的厚度一般采用0.5微米以上。通過物理氣相沉積 (PVD)或者化學氣相沉積(CVD)方法在金屬鉬材料表面形成硬掩膜層，然后經涂覆光刻膠以及光刻定義刻蝕圖形，再采用干法刻蝕或者濕法腐蝕手段將刻蝕圖形轉移到硬掩膜上， 形成刻蝕掩膜。本發明采用高密度等離子體(如感應耦合等離子體(ICP)，變壓器耦合等離子體 (TCP)等)干法刻蝕工藝，產生高密度、高能量離子和自由基，實現了對金屬鉬體材料的高速率、各向異性刻蝕，刻蝕速率可達2. 63微米每分鐘；刻蝕結果側壁的陡直度可達70°。基于本發明的方法，可利用表面拋光的金屬鉬基片制作高深寬比微結構。


圖1是實施例1對金屬鉬襯底進行刻蝕的流程示意圖，其中1-金屬鉬襯底，2-未曝光的SU-8光刻膠，2’ -刻蝕掩膜。圖2是實施例1對金屬鉬襯底進行刻蝕的刻蝕結果掃描電子顯微鏡圖。
具體實施例方式以下通過實施例對本發明做進一步說明，但這并非是對本發明的限制，本領域技術人員根據本發明的基本思想，可以做出各種修改或改進，但是只要不脫離本發明的基本思想，均在本發明的范圍之內。1.制備刻蝕掩膜如圖1所示，采用負性光刻膠SU-83050作為掩膜材料，將表面拋光的高純度圓片級金屬鉬的襯底基片1用丙酮酒精清洗并烘干后，在其表面涂覆一層厚度為60微米的負性光刻膠2，如圖1(a)所示。光刻膠2經前烘、曝光、后烘、顯影圖形化后，得到具有所需刻蝕圖形的刻蝕掩膜2’，見圖1(b)。2.刻蝕采用Trion Technology Minilock III ICP刻蝕機，實現對金屬鉬襯底1的高深寬比刻蝕，如圖1(c)所示。刻蝕參數設置為用于產生感應耦合等離子體的線圈功率為800 瓦，用于增加等離子體能量的平板功率為150瓦，腔體氣壓為23毫托，襯底溫度為-20°C， SF6氣體流量53sccm，O2氣體流量98sccm，Cl2氣體流量lOsccm。刻蝕時間為10分鐘。3.刻蝕結果刻蝕速率為2. 63微米每分鐘，刻蝕結果見圖2，側壁傾斜角為70度。
權利要求
1.一種刻蝕金屬鉬材料的方法，在金屬鉬材料上形成刻蝕掩膜，然后對金屬鉬材料進行高密度離子體干法刻蝕，其中，等離子體密度大于1012cnT3。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，采用感應耦合或變壓器耦合產生高密度等離子體，對金屬鉬材料進行干法刻蝕。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，采用感應耦合等離子體或變壓器耦合等離子體刻蝕，設定線圈功率> 600W，平板功率> 150W，刻蝕過程中下電極托盤設置溫度彡5°C，刻蝕腔體內氣壓彡50mTorro
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，刻蝕氣體包括氟基氣體、氯基氣體、溴基氣體或它們的組合。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，刻蝕氣體還包括O2和/或Ar。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，采用SF6和&的氣體組合作為刻蝕氣體。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，O2氣體流量占SFf^nO2氣體總流量的60% 80%。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，SF6氣體流量為50SCCm 200sCCm。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，刻蝕氣體中還添加有流量為5sCCm 50sccm 的 Cl20
10.如權利要求3所述的方法，其特征在于，采用感應耦合等離子體干法刻蝕對金屬鉬材料進行刻蝕，刻蝕參數是線圈功率為600瓦 1000瓦；平板功率為100瓦 400瓦；下電極托盤設置溫度彡5°C;腔體氣壓彡50mTorr ；刻蝕氣體是SF6W2和Cl2的組合氣體，其中 SF6氣體流量為50sccm 200sccm，O2氣體流量占SF6和仏流量之和的60 % 80 %，Cl2氣體流量為5sccm 50sccm。
全文摘要
本發明公開了一種刻蝕金屬鉬材料的方法，在金屬鉬材料上形成刻蝕掩膜，然后采用高密度等離子體(如ICP、TCP等)干法刻蝕工藝，產生高密度、高能量離子和自由基，實現了對金屬鉬體材料的高速率、各向異性刻蝕。刻蝕速率可達2.63微米每分鐘，刻蝕結果側壁的陡直度可達70°。基于本發明的方法，可利用金屬鉬襯底基片作為制備MEMS器件的主體材料。
文檔編號B81C1/00GK102417156SQ201110362349
公開日2012年4月18日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者張軼銘, 李男男, 羅進, 胡佳, 陳書慧, 陳兢 申請人:北京大學