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高展弦比微型硅孔阵列深度反应离子刻蚀优化gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

在深度反应离子刻蚀(DRIE)过程中,由于反应离子和自由基的扩散随着DRIE循环次数的增加而日益困难,具有小开口(如沟槽或孔洞)的微尺度刻蚀掩模受到了有限的展弦比的限制。由于这个原因,微尺度孔洞的高纵横比结构在标准的DRIE配方中并不容易获得,而且由于全向限制,微尺度孔洞比孔洞更有问题。在这封信中,我们提出了一个优化的制造高展弦比微尺度孔阵列与改进的截面蚀刻剖面。考虑偏置电压和电感耦合等离子体功率作为优化参数,以促进高展弦比孔阵的底刻蚀。此外,八氟环丁烷(CgydF4y2Ba\ (_ {4} \)gydF4y2BaFgydF4y2Ba\ (_ {8} \)gydF4y2Ba和六氟化硫(SFgydF4y2Ba\ (_ {6} \)gydF4y2Ba)分别作为钝化和去钝化步骤的优化参数,以降低蚀刻咬角。优化后,直径1.3 μm的孔阵长径比达到20,底部相对于顶部的蚀刻面积减小21%。gydF4y2Ba

简介gydF4y2Ba

其优点是能够在硅片上制备高展弦比各向异性图案[gydF4y2Ba118bet金博宝 ,gydF4y2Ba118bet金博宝 ],深度反应离子蚀刻(DRIE)工艺已广泛应用于许多应用,包括3D包装的通孔[gydF4y2Ba118bet金博宝 ,gydF4y2Ba118bet金博宝 和微机电系统(MEMS)执行器[gydF4y2Ba118bet金博宝 ,gydF4y2Ba118bet金博宝 举几个例子。为了进一步实现小型化、高密度集成和更高的产量,DRIE已被常规用于实现具有高展宽比的微型沟槽和孔阵列[gydF4y2Ba118bet金博宝 ].然而,在博世工艺中,微尺度图案受限于蚀刻深度(或纵横比)[gydF4y2Ba118bet金博宝 ],流行于低温工艺[gydF4y2Ba118bet金博宝 ],因为随着蚀刻循环次数的增加,活性离子和气体不能有效地扩散到受限蚀刻区域。gydF4y2Ba

为了解决这一问题,研究人员通过优化微尺度图案的DRIE工艺参数来改善轮廓并增加刻蚀深度[gydF4y2Ba118bet金博宝 ,gydF4y2Ba118bet金博宝 ,gydF4y2Ba118bet金博宝 ].以往的研究大多集中在用于x射线相位对比成像的微尺度沟槽的制备[gydF4y2Ba118bet金博宝 ,gydF4y2Ba118bet金博宝 ,gydF4y2Ba118bet金博宝 ]和MEMS执行器[gydF4y2Ba118bet金博宝 ].另一方面,孔阵列的DRIE工艺优化主要是在10微米尺度上完成的,用于制造透硅通孔,直径为15 μm的孔阵列已实现高达26的纵横比[gydF4y2Ba118bet金博宝 ,gydF4y2Ba118bet金博宝 ,gydF4y2Ba118bet金博宝 ].为了提高通孔的密度,在1微米尺度上进行了DRIE工艺优化,直径为2 μm和3 μm的孔阵列的纵横比高达17 [gydF4y2Ba118bet金博宝 ,gydF4y2Ba118bet金博宝 ].然而,随着纵横比的增加,孔阵的截面积减小,导致底部不到顶部的一半。gydF4y2Ba

在这封信中,我们介绍了一个优化的DRIE工艺制造微尺度高纵横比孔阵列。采用两种不同的优化策略来改善微孔阵列的蚀刻剖面。一是促进底部蚀刻,二是尽量减少咬边。对前者进行了蚀刻参数优化,对后者进行了气体流量优化。结合各优化结果,成功地制备了高展弦比和最小面积缩减比的微尺度孔阵列。gydF4y2Ba

优化参数gydF4y2Ba

由于微尺度孔阵列中被蚀刻的面积有限,离子和自由基在DRIE过程中的路径受到阻碍。此外,随着长弦比的增加,到达底部的离子和自由基的数量减少,减少了结构底部的蚀刻。由于这些影响,截面面积不断向微尺度孔阵底部收缩,最终达到自限制,如图所示。gydF4y2Ba118bet金博宝 a和b。这是影响高展弦比孔阵剖面劣化的最重要因素。为了促进底部刻蚀,选取刻蚀步骤的偏置电压和电感耦合等离子体(ICP)功率作为参数进行优化。离子的动能随偏置电压的增大而增大,离子和自由基的密度随ICP功率的增大而增大[gydF4y2Ba118bet金博宝 ].在这些作用下,促进了底部离子和自由基的轰击,从而改善了高展弦比孔阵的外形。gydF4y2Ba

随着DRIE循环次数的增加,高展弦比孔阵列的上部不断暴露在离子和自由基中,从而导致底割。因此,高展弦比孔阵的顶部面积会变宽,因此,为了改善剖面,必须尽量减小底凹。为了尽量减少切边,八氟环丁烷(CgydF4y2Ba\ (_ {4} \)gydF4y2BaFgydF4y2Ba\ (_ {8} \)gydF4y2Ba)钝化步气流和六氟化硫(SFgydF4y2Ba\ (_ {6} \)gydF4y2Ba)气体流量作为参数进行优化。钝化聚合物由CgydF4y2Ba\ (_ {4} \)gydF4y2BaFgydF4y2Ba\ (_ {8} \)gydF4y2Ba气体流动和SF对钝化聚合物蚀刻的减少gydF4y2Ba\ (_ {6} \)gydF4y2Ba气体流动都能有效地改善孔阵顶部的侧壁保护,从而减少咬边。gydF4y2Ba

材料和方法gydF4y2Ba

对于高展宽比孔阵列蚀刻,在微尺度孔阵列中选择蚀刻选择性为100:1的热氧化物作为蚀刻掩模。在(100)单晶硅晶片上,通过湿氧化生长1 μm的热氧化物,使其能够在蚀刻至30 μm时充分承受蚀刻过程。然后用i线步进(波长为365 nm)制出特征尺寸为700 ~ 1.9 μm的图案,并通过RIE工艺将图案转移到热氧化物中制备蚀刻掩模。光刻胶不能用作DRIE工艺的蚀刻掩模,因为在i线步进器中使用的光刻胶厚度为800纳米,在微尺度图案中的蚀刻选择性低至15:1。gydF4y2Ba

参数研究是通过在标准DRIE配方中一次只修改一个参数来进行的,如表所示gydF4y2Ba118bet金博宝 .样品在每次驱动过程后被切割,并使用扫描电子显微镜(SEM)检查其截面轮廓。导槽在切割过程中允许沿着沟槽形成裂纹,它被放置在孔阵列中心与晶体方向一致的两端,允许截面通过孔的中心。此外,在进行截面扫描电镜检查时,通过倾斜来确定截面是否通过了孔的中心。由于微尺度高展弦比模式的底部比顶部窄,因此面积缩减比(1−()gydF4y2Ba\ (D_ {B} \)gydF4y2Ba/gydF4y2Ba\ (D_ {T} \)gydF4y2Ba)gydF4y2Ba\ (^ 2 \)gydF4y2Ba或1−(gydF4y2Ba\ (W_ {B} \)gydF4y2Ba/gydF4y2Ba\ (W_ {T} \)gydF4y2Ba),gydF4y2Ba\ (D_ {T} \)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ (D_ {B} \)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ (W_ {T} \)gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba\ (W_ {B} \)gydF4y2Ba如图所示。gydF4y2Ba118bet金博宝 提出了一种量化非均匀蚀刻剖面的方法。通过面积折减率和刻蚀深度对每次加工结果进行分析。最后,将优化后的各参数组合在一起,得到制备微孔阵列的优化配方。gydF4y2Ba

图1gydF4y2Ba
图1gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba相同驱动工艺下的沟槽和孔阵截面示意图。gydF4y2BabgydF4y2Ba在DRIE过程中,由于加载效应,到达底部的离子和自由基的不同数量的示意图gydF4y2Ba

图2gydF4y2Ba
图2gydF4y2Ba

不同直径孔阵的SEM横截面图像gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba0.79μm,gydF4y2BabgydF4y2Ba1.09μm,gydF4y2BacgydF4y2Ba1.49μm,gydF4y2BadgydF4y2Ba1.90 μm),用标准配方干燥60次后。宽度为的沟槽阵列的扫描电镜截面图像gydF4y2BaegydF4y2Ba0.74μm。gydF4y2BafgydF4y2Ba蚀刻深度和gydF4y2BaggydF4y2Ba面积缩减比作为孔直径或沟宽的函数。比例尺均为2 μmgydF4y2Ba

图3gydF4y2Ba
图3gydF4y2Ba

用改进的DRIE配方在偏压为的条件下刻蚀200次的1.6 μm直径孔阵列的SEM截面图像gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba10 V和gydF4y2BabgydF4y2Ba300 V。gydF4y2BacgydF4y2Ba面积还原比和蚀刻深度作为偏置电压的函数。采用ICP功率为200次的改良DRIE配方刻蚀直径为1.5 μm的孔阵列的SEM横断面图像gydF4y2BadgydF4y2Ba1200 W和gydF4y2BaegydF4y2Ba1500 W。gydF4y2BafgydF4y2Ba面积还原比和蚀刻深度是ICP功率的函数。比例尺均为10 μmgydF4y2Ba

图4gydF4y2Ba
图4gydF4y2Ba

用改进的DRIE配方和C . C .腐蚀200次的1.6 μm直径孔阵列的SEM截面图像gydF4y2Ba\ (_ {4} \)gydF4y2BaFgydF4y2Ba\ (_ {8} \)gydF4y2Ba气体流量gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba60 sccm和gydF4y2BabgydF4y2Ba70 sccm。gydF4y2BacgydF4y2Ba面积还原比和蚀刻深度是C的函数gydF4y2Ba\ (_ {4} \)gydF4y2BaFgydF4y2Ba\ (_ {8} \)gydF4y2Ba气体流量。用改进的DRIE配方和SF蚀刻200次的1.6 μm直径孔阵列的SEM截面图像gydF4y2Ba\ (_ {6} \)gydF4y2Ba气体流量gydF4y2BadgydF4y2Ba120 sccm和gydF4y2BaegydF4y2Ba150 sccm。gydF4y2BafgydF4y2Ba面积还原比和蚀刻深度是SF的函数gydF4y2Ba\ (_ {6} \)gydF4y2Ba气体流量。比例尺均为10 μmgydF4y2Ba

图5gydF4y2Ba
图5gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba经优化的DRIE配方刻蚀200次的1.3 μm直径孔阵列的SEM截面图像。gydF4y2BabgydF4y2Ba面积减少率和蚀刻深度取决于在DRIE过程中使用的配方。比例尺为5 μmgydF4y2Ba

结果与讨论gydF4y2Ba

为了比较加载效果,制作了孔阵列和沟槽。孔径为0.79 ~ 1.90 μm的孔阵列(图。gydF4y2Ba118bet金博宝 a-d)和宽度为0.74 μm的沟槽。gydF4y2Ba118bet金博宝 e)采用表中标准DRIE配方刻蚀60次制备gydF4y2Ba118bet金博宝 .对于直径为0.79 μm、1.09 μm、1.49 μm和1.90 μm的孔阵,代表单位面积图案数的面数密度为4.8gydF4y2Ba\ \(\倍)gydF4y2Ba10gydF4y2Ba\ (^ 5 \)gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba\ (^ {2} \)gydF4y2Ba, 2.7gydF4y2Ba\ \(\倍)gydF4y2Ba10gydF4y2Ba\ (^ 5 \)gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba\ (^ {2} \)gydF4y2Ba, 1.2gydF4y2Ba\ \(\倍)gydF4y2Ba10gydF4y2Ba\ (^ 5 \)gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba\ (^ {2} \)gydF4y2Ba, 8gydF4y2Ba\ \(\倍)gydF4y2Ba10gydF4y2Ba\ (^ 4 \)gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba\ (^ {2} \)gydF4y2Ba,分别。当沟槽宽度为0.74 μm时,其面数密度为8.8gydF4y2Ba\ \(\倍)gydF4y2Ba10gydF4y2Ba\ (^ 2 \)gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba\ (^ {2} \)gydF4y2Ba.如图所示。gydF4y2Ba118bet金博宝 F和g,蚀刻深度随着孔直径的减小而减小,而面积收缩率增大。此外,随着直径的减小,加载效应越来越显著。与直径与沟槽宽度相同的孔阵相比,沟槽由于待蚀刻面积大,在蚀刻深度和面积缩减率方面都更有利。因此,为制造高纵横比孔阵列,需要优化DRIE参数。gydF4y2Ba

为了促进高展弦比孔阵的底刻蚀,对刻蚀步骤的偏置电压和ICP功率进行了参数化研究。首先,研究了直径为1.6 μm的孔阵在200个周期内,当偏压从10 V增加到400 V时,截面的变化。直径为1.6 μm的孔阵的面数密度为1.3gydF4y2Ba\ \(\倍)gydF4y2Ba10gydF4y2Ba\ (^ 5 \)gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba\ (^ {2} \)gydF4y2Ba到1.7gydF4y2Ba\ \(\倍)gydF4y2Ba10gydF4y2Ba\ (^ 5 \)gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba\ (^ {2} \)gydF4y2Ba.偏压分别为10v和300v时蚀刻孔阵列的截面扫描电镜图像如图所示。gydF4y2Ba118bet金博宝 a和b.刻蚀深度和面积还原比的对比如图所示。gydF4y2Ba118bet金博宝 c.虽然随着偏置电压的增加刻蚀深度变化不明显,但面积缩减比有降低的趋势。离子的动能随着偏置电压的增加而增加,允许更多的离子到达底部,从而加速蚀刻。如图所示。gydF4y2Ba118bet金博宝 b,在偏置电压为300 V时,面积缩减率达到56%,但在400 V时没有进一步提高。因此,选择偏置电压300v作为最优值。接着,研究了增加ICP功率对改善剖面的影响,这促进了底部区域的腐蚀,由于离子密度的增加。而在高展弦比的微、亚微米孔阵中,离子并没有弛豫,导致硅的侧壁被充电,降低了离子通量[gydF4y2Ba118bet金博宝 ].结果,离子可以到达的深度减小,导致蚀刻深度减小。尽管蚀刻深度随ICP功率的增加而减小,但研究了直径1.5 μm的孔阵在200 V偏置电压下,当ICP功率从1200 W增加到1700 W,循环200次时截面的变化。直径为1.6 μm的孔阵的面数密度在1.1之间gydF4y2Ba\ \(\倍)gydF4y2Ba10gydF4y2Ba\ (^ 5 \)gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba\ (^ {2} \)gydF4y2Ba到2.2gydF4y2Ba\ \(\倍)gydF4y2Ba10gydF4y2Ba\ (^ 5 \)gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba\ (^ {2} \)gydF4y2Ba.如图所示,分别在1200 W和1500 W的ICP功率下蚀刻孔阵列的截面SEM图像。gydF4y2Ba118bet金博宝 d和e。蚀刻深度和面积还原比的对比如图所示。gydF4y2Ba118bet金博宝 f.由于离子密度的增加,随着ICP功率的增加,面积缩减率降低,蚀刻深度也降低,符合预期。如图所示。gydF4y2Ba118bet金博宝 e,在ICP功率为1500 W时,面积减少率达到50%,但在1700 W时没有进一步提高。因此,选择1500 W作为最优值。gydF4y2Ba

为了减小高展弦比孔阵的下凹,对CgydF4y2Ba\ (_ {4} \)gydF4y2BaFgydF4y2Ba\ (_ {8} \)gydF4y2Ba气体流量的钝化步骤和SFgydF4y2Ba\ (_ {6} \)gydF4y2Ba脱吸步骤气体流量。第一,CgydF4y2Ba\ (_ {4} \)gydF4y2BaFgydF4y2Ba\ (_ {8} \)gydF4y2Ba研究了增强侧壁钝化作用的气体流动。研究了直径为1.6 μm的孔阵截面随C值增大的变化规律gydF4y2Ba\ (_ {4} \)gydF4y2BaFgydF4y2Ba\ (_ {8} \)gydF4y2Ba气体流量从60到80 sccm,偏置电压200 V,循环200次。直径为1.6 μm的孔阵的面数密度在1.1之间gydF4y2Ba\ \(\倍)gydF4y2Ba10gydF4y2Ba\ (^ 5 \)gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba\ (^ {2} \)gydF4y2Ba到1.6gydF4y2Ba\ \(\倍)gydF4y2Ba10gydF4y2Ba\ (^ 5 \)gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba\ (^ {2} \)gydF4y2Ba.C点蚀刻孔阵列的截面扫描电镜图像gydF4y2Ba\ (_ {4} \)gydF4y2BaFgydF4y2Ba\ (_ {8} \)gydF4y2Ba气体流量分别为60 sccm和70 sccm如图所示。gydF4y2Ba118bet金博宝 a和b.刻蚀深度和面积还原比的对比如图所示。gydF4y2Ba118bet金博宝 c.随着cgydF4y2Ba\ (_ {4} \)gydF4y2BaFgydF4y2Ba\ (_ {8} \)gydF4y2Ba气体流量增加,腐蚀深度略有降低。由于顶部最宽部分的宽度从1.66减少(图。gydF4y2Ba118bet金博宝 a)至1.55 μm。gydF4y2Ba118bet金博宝 B)随着钝化聚合物的增加,面积还原比减小。如图所示。gydF4y2Ba118bet金博宝 b,在a时面积减少率达到55%gydF4y2Ba\ (_ {4} \)gydF4y2BaFgydF4y2Ba\ (_ {8} \)gydF4y2Ba气体流量70 sccm,但在80 sccm时没有进一步改善。因此,一个CgydF4y2Ba\ (_ {4} \)gydF4y2BaFgydF4y2Ba\ (_ {8} \)gydF4y2Ba选择70 SCCM的气体流量为最优值。虽然钝化聚合物的增加提高了侧壁保护,但蚀刻深度有轻微下降的趋势,认为这是由于钝化层较厚,底部残留的聚合物造成的。其次,减小SF的影响gydF4y2Ba\ (_ {6} \)gydF4y2Ba研究了气体流动对降低侧壁钝化聚合物腐蚀的影响。研究了直径为1.6 μm的孔阵在增加SF时截面的变化gydF4y2Ba\ (_ {6} \)gydF4y2Ba气体流量从120 sccm到150 sccm,偏置电压为100 V,循环200次。直径为1.6 μm的孔阵的面数密度为1.2gydF4y2Ba\ \(\倍)gydF4y2Ba10gydF4y2Ba\ (^ 5 \)gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba\ (^ {2} \)gydF4y2Ba到1.6gydF4y2Ba\ \(\倍)gydF4y2Ba10gydF4y2Ba\ (^ 5 \)gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba\ (^ {2} \)gydF4y2Ba.在SF蚀刻的孔阵列的截面扫描电镜图像gydF4y2Ba\ (_ {6} \)gydF4y2Ba120 sccm和150 sccm的气体流量如图所示。gydF4y2Ba118bet金博宝 d和e。蚀刻深度和面积还原比的对比如图所示。gydF4y2Ba118bet金博宝 f.面积缩减比随SF减小而减小gydF4y2Ba\ (_ {6} \)gydF4y2Ba气体流量减小,刻蚀深度略有减小。由于顶部最宽部分的宽度从1.66减少(图。gydF4y2Ba118bet金博宝 d)至1.57 μm。gydF4y2Ba118bet金博宝 E)随着聚合物蚀刻气体的减少,面积还原率降低。如图所示。gydF4y2Ba118bet金博宝 e,面积减少率达到69%在一个SFgydF4y2Ba\ (_ {6} \)gydF4y2Ba气体流量120立方厘米。随着蚀刻气体流速的减小,面积还原比减小,但由于底部未蚀刻的聚合物,蚀刻深度也减小。当SFgydF4y2Ba\ (_ {6} \)gydF4y2Ba气体流速进一步降低,腐蚀深度降低。因此,科幻小说gydF4y2Ba\ (_ {6} \)gydF4y2Ba气体流量选择120 SCCM。gydF4y2Ba

优化后的DRIE配方见表gydF4y2Ba118bet金博宝 ,结合每个步骤的优化参数,应用于运行200循环的DRIE过程。直径1.3 μm,面积数密度为1.8的孔阵截面轮廓gydF4y2Ba\ \(\倍)gydF4y2Ba10gydF4y2Ba\ (^ 5 \)gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba\ (^ {2} \)gydF4y2Ba增强效果最好,宽高比为20,面积缩减比为21%,如图所示。gydF4y2Ba118bet金博宝 a.将此结果与使用标准DRIE配方蚀刻200次1.6 μm直径孔阵的结果进行比较,面积缩减率提高了70%,如表所示gydF4y2Ba118bet金博宝 尽管直径较小。此外,从参数研究结果可以观察到,蚀刻深度适度下降到26.3 μm(图5)。gydF4y2Ba118bet金博宝 b)是ICP功率增加的结果。gydF4y2Ba

表1标准DRIE配方gydF4y2Ba
表2优化的DRIE配方gydF4y2Ba
表3用标准DRIE配方刻蚀直径1.6 μm孔阵和用优化配方刻蚀直径1.3 μm孔阵的面积缩减率比较gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

在这封信中,我们介绍了一个优化的制造高展弦比微孔阵列。为了提高高展弦比孔阵的面积缩减率,采用了两种方法。一是促进底蚀刻,二是减少底刻。前者在提高面积缩减率方面更为有效。通过优化刻蚀步骤的偏置电压和ICP功率,面积缩减率分别降低了35%和12%。后者在一定程度上提高了面积缩减率。通过优化CgydF4y2Ba\ (_ {4} \)gydF4y2BaFgydF4y2Ba\ (_ {8} \)gydF4y2Ba气体流量的钝化步骤和SFgydF4y2Ba\ (_ {6} \)gydF4y2Ba气体流量的解除步骤,面积减少率分别减少了7%和8%,由于底部的适度减少。最后,结合各优化参数的配方,采用DRIE工艺制备了直径1.3 μm、纵横比为20的孔阵,实现了21%的面积缩减率。优化后的DRIE工艺非常适合于微尺度孔阵的制备,根据本研究优化的参数,只要增加DRIE循环次数,就可以制备出纵横比大于20的孔阵。gydF4y2Ba

数据和材料的可用性gydF4y2Ba

在当前研究中使用和/或分析的数据集可根据合理要求从通讯作者处获得。gydF4y2Ba

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本研究得到教育部国家研究基金(NRF)基础科学研究项目(NRF- 2020r1a2c3004885和NRF- 2020r1a4a2002728)的资助。gydF4y2Ba

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Kim, T, Lee, J.高展宽比微尺度硅孔阵列的深度反应离子蚀刻优化。gydF4y2Ba微纳系统莱特gydF4y2Ba10gydF4y2Ba12(2022)。https://doi.org/10.1186/s40486-022-00155-6gydF4y2Ba

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