拓中科技团队在新型MEMS伪Bosch深刻蚀结构化工艺技术研究取得突破进展

近日,拓中科技团队在团队负责人尹晓涵的带领下多次在南京龙渊集团实验室研究所展开技术性突破研究,并且该团队核心技术已经应用型验证,取得良好社会反馈。

伪Bosch刻蚀工艺是一种高纵深比刻蚀技术,可用于MEMS深刻蚀结构化。该工艺是在深刻蚀过程中交替进行沉积和刻蚀的过程,是能够制备出高纵深比的微结构,具有较好的精度和重复性,适用于制备微机电系统(MEMS)器件中的微通道、微泵、微阀门等结构。工作原理是在刻蚀过程中交替进行沉积和刻蚀,即每次沉积一层材料,然后使用刻蚀剂将所沉积的材料刻蚀掉,再进行下一层沉积,如此循环。这种工艺可实现高纵深比的微结构制备。

图1. (a) α-Fe2O3@ZnO@ZIF-8核壳异质纳米线的合成路线图;(b) MEMS器件结构图;(c) MEMS基气体传感系统搭建示意图

具体操作过程为:首先进行刻蚀,使用CF4和O2的混合气体进行刻蚀,形成微结构的表面;然后进行沉积,在表面沉积一层聚合物;接着再次进行刻蚀,将聚合物除去,形成新的表面;然后再次进行沉积,以此类推,反复循环,直到所需要的深度和形状被制备出来。伪Bosch刻蚀工艺的优点包括高纵深比、精度高、重复性好、适用于多种材料和结构等等。伪Bosch刻蚀通过采用混合通气模式,使用刻蚀气体SF6、钝化气体C4F8,这两种气体交替通入,达到高刻蚀速率、高掩膜选择性等特性。在TSV制造领域凹槽深度可达数百微米,凹槽宽度为5-10微米。

综合物理和化学作用的离子刻蚀工艺,具备离子溅射刻蚀和等离子体化学刻蚀优点:高分辨率、刻蚀速率快。刻蚀原理:射频辉光放电产生含正、负离子、长短寿命的游离基和自由电子的等离子体,在刻蚀表面发生化学反应,离子在电场射向表面并物理轰击,完成刻蚀。反应离子束有高效刻蚀效果,可控制刻蚀速率与深度。刻蚀使用氟基气体、氯基气体以及氯基气体,CF4、CHF3、SF6、C4F8(后者通常用作保护气体);BCl3、Cl2等;混合气体CCI2F2等。刻蚀SiO2使用氟化物,放电分解出氟、氯原子,与SiO2表面原子发生反应,产生气态进行刻蚀。在实验中,使用CHF3对SiO2进行蚀刻。CHF3反应过程中辉光放电发生化学反应CHF3+e→CHF2++F(游离基)+2e。

F原子生成到SiO2表面并发生反应生成气态产物反应式SiO2+4F→SiF4↑+O2↑。SiO2分解氧离子在高压环境与CHF2+发生基团反应,生成多种挥发性气体:CO↑、CO2↑、H2O↑、OF↑,完成对SiO2蚀刻。

3.6mTorr反应腔压强刻蚀形貌 3.88mTorr反应腔压强刻蚀形貌

4mTorr反应腔压强刻蚀形貌 4.2mTorr反应腔压强刻蚀形貌

多组对比试验团队发现反应腔压强在4.2mTorr,刻蚀结构形貌较平整,其他压强参数会导致倾斜、扭曲。所以将反应腔压强设4.2mTorr可使刻蚀结构顶部相对平整。在刻蚀深度上发现随刻蚀钝化气体比例将会减小刻蚀深度也会随之减小,1.5um减少到510nm,变化非常显著。蚀刻钝化气体比例选择12:12效果最佳。蚀刻尽量增大前向功率值可有效优化形貌结构。通过以上实验成功开发出一种全新MEMS深刻蚀结构。

并且拓中科技团队团队研究已经将该技术转嫁应用在以上两款MEMS器件传感器上,一款压力传感器与一款气体传感器。通过该团队技术制备得到的MEMS微电子芯,异质微孔纳米线气敏材料具有孔隙率高、表面积大、热稳定性较优等特点,能够对ppb级微量硫化氢气体实现超灵敏、高精度、高选择性的探测。即使在50 ℃相对较低的工作温度下,该传感器对0.2-10 ppm H2S表现出可识别的响应,揭示了其在集成可穿戴柔性设备中的应用潜力。在将来智慧城市等领域具有巨大的应用潜力。（图/窦俊华 文/李欢钊）

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