2.3.3　电子材料的刻蚀

完成显影后，需要固定掩膜版的图形并准备刻蚀。刻蚀后，图形将永久转移到晶圆表面，在MEMS器件制造中，刻蚀指用化学或物理方法，在光刻的基础上利用光刻胶暴露区域去掉晶圆表层的工艺。刻蚀主要分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类。

湿法刻蚀主要利用化学试剂与被刻蚀材料的化学反应进行刻蚀。湿法刻蚀应用于图形尺寸大于3μm的产品，当尺寸小于3μm时，由于控制和精度需要，应使用干法刻蚀。湿法刻蚀的对象包括二氧化硅、Si3N4、金属、光刻胶等，需要在湿法槽中进行，湿法刻蚀设备如图2-8所示。

湿法刻蚀的一致性控制和工艺控制通过刻蚀槽附加的加热器和搅动装置实现，选择的刻蚀液应能均匀地去掉晶圆表层且不伤及下层材料。图形转移精度通过不完全刻蚀、过刻蚀、钻蚀、选择比、侧边的各向异性和各向同性刻蚀等满足。

不完全刻蚀指光刻胶薄膜层仍留在图形孔中或表面上的情况，如图2-9所示。出现不完全刻蚀的原因是刻蚀时间太短或厚度不均匀。如果使用化学湿法刻蚀，则温度过低也会导致出现不完全刻蚀。

过刻蚀与不完全刻蚀相对应，在刻蚀工艺中，总会有一定程度的、有计划的过刻蚀。理想的刻蚀是各向异性刻蚀，即只有垂直刻蚀，没有横向钻蚀。这样才能保证在被刻蚀的薄膜上精确复制出所需图形。刻蚀需要将钻蚀水平控制在可接受范围内，以避免影响器件的物理尺寸和性能。选择比指的是在同一刻蚀条件下一种材料的刻蚀速率与另一种材料的刻蚀速率的比。

干法刻蚀是用气体进行刻蚀的技术，晶圆在干燥的状态下进出系统。干法刻蚀技术包括等离子体刻蚀、离子束刻蚀和反应离子刻蚀（RIE）。

等离子体刻蚀利用气体和等离子体能量进行化学反应，刻蚀的发生需要化学刻蚀剂和能量源，等离子体刻蚀设备由反应腔、真空系统、气体供应系统、终点检测系统和电源组成，桶形等离子体刻蚀如图2-10所示。晶圆被送入反应腔，真空系统建立后，充入反应气体。二氧化硅刻蚀一般使用CF4或CHF3与氧的混合剂。电源通过射频线圈形成射频电场，将混合气体激发成等离子体，氟基刻蚀二氧化硅，并将其转化为可挥发成分，由真空系统排出。

离子束刻蚀是物理过程。晶圆置于真空反应腔中的固定器上，并向反应腔导入氩气，氩气进入反应腔时，会受到高能电子束的影响，氩原子被离子化，成为带正电荷的高能粒子。由于晶圆位于接负极的固定器上，氩原子被吸向固定器，当氩原子向固定器移动时，它们会加速，能量增加，它们轰击暴露的晶圆层，氩原子与晶圆材料不发生化学反应。离子束刻蚀又称溅射刻蚀（Sputter Etching）或离子铣（Ion Milling），具有较强的各向异性，小开口区域的刻蚀精度很高，由于是物理过程，其选择性很差，特别是对于光刻胶层。

反应离子刻蚀（RIE）将等离子体刻蚀和离子束刻蚀结合。系统结构与等离子体刻蚀相似，但具有离子束刻蚀的能力，结合了两者的优点，对光刻胶层的选择比能够提高到35:1，而在只有等离子体刻蚀时为10:1。目前，RIE系统已在最先进的生产线中应用。