摘要：MEMS應用領域的擴展要求開發硅材料之外其他新型材料的三維微細加工技術．為此，對金屬鈦這一新型MEMS體材料的三維加工進行了探索．金屬鈦不僅延展性和導電性好，且斷裂韌度高、高低溫特性以及生物兼容性好．采用電感耦合等離子體源(inductivelycoupledpla蛐，I凹)技術對金屬鈦進行三雛深刻蝕，采用不同刻蝕掩模、氯基刻蝕氣體，研究了線圈功率、平板功率和娼流量對刻蝕速率和選擇比等工藝參數的影響，并對砸深刻蝕參數進行了優化，得到0．91州面n的刻蝕速率，可實現光滑表面和陡直側壁。

硅材料具有很高的強度和一系列優秀的機械特性，在MEMS技術中已經得到廣泛應用并取得了巨大成功．但是硅和各種硅基化合物材料脆性大、延展性差、斷裂韌度(‰tou#m嘲)很低且抗沖擊能力差，隨著MEMS應用領域的不斷擴大，機械結構的復雜化和器件性能要求的提高，需要開發硅材料之外其他新型材料的三維微細加工技術n引．金屬鈦作為一種金屬材料，不僅具有延展性和導電性好的優點，并且還具備斷裂韌度高、高低溫特性好、耐腐蝕以及生物兼容好等一系列優良特性．2003年起，美國MacDonald等使用PdE、ICP工藝對50．8rain

(2iII)金屬鈦方片(sheet)襯底進行了深刻蝕，制作出垂直性好、高深寬比的微小齒輪及執行器等一大批微小零件和結構，鈦基MEMS加工技術已成為當前的研究熱點．

本文采用電感耦合等離子體源(inductivelycoupledplasma，icP)技術對體材料金屬鈦進行三維深刻蝕，可以加工出高深寬比的結構，工藝簡單，制作出的微結構質量高、內應力小，可以實現低成本、大批量生產．本研究采用了101．6mm(4i11)高純度金屬鈦圓片(純度為99．9％，厚度為500vm)襯底，避免了方片加工所必須的載片工序，解決了深刻蝕中裝載黏結劑的漏氣、分解和退化等問題，并且為器件版圖提供了更大的面積；更重要的是，由于101．6ram(4i11)圓片與主流半導體和硅微機械加工設備兼容，還可以方便地借用其他半導體和微機械加工技術，如雙面對準和鍵合技術實現更廣泛的MEMS應用MJ．

1金屬鈦ICP深刻蝕實驗

1．1實驗設計

采用英國STSMultiplexICP刻蝕機對金屬鈦進行了深刻蝕實驗，采用氯基的刻蝕氣體C12．鈦片為自行定制的純度為99．9％的101．6ram(4irI)化學純鈦圓片，厚度為500van．實驗前對圓片進行了單面化學機械拋光(CMP)，表面粗糙度低于1nnl．CMP拋光后的鈦片表面可達鏡面效果，如圖1所示．

針對不同的刻蝕掩模進行了不同批次的實驗．先使用AZ4620光刻膠作為掩模進行了刻蝕實驗，研究了線圈功率、平板功率、刻蝕氣體C12流量和腔體氣壓對工藝參數的影響，并對工藝條件進行優化，初步確定了一組優化工藝參數；然后在此基礎上，采用金屬鎳作為刻蝕掩模，研究不同工藝條件對刻蝕圖形表面粗糙度的影響，確定最終的優化工藝條件．

1．2實驗流程

實驗的具體操作流程如下所述．

(1)鈦片清洗．先采用丙酮和異丙醇分別對鈦片超聲清洗5rain，清洗兩次后采用5％的稀鹽酸在40℃下對鈦片進行去鉀離子清洗．

(2)掩模刻蝕．光刻制備AZ4620厚膠掩模，或光刻腐蝕制備金屬鎳掩模．

(3)鈦片ICP深刻蝕．調節不同線圈功率、平板功率、刻蝕氣體流量和腔體氣壓對鈦片進行深刻蝕，觀察工藝條件對刻蝕圖形的影響．

2結果分析

2．1線圈功率的影響

線圈功率可控制等離子體密度，增大線圈功率，有助于C12的離子化和原子分裂，從而增大離子和原子團的密度，使刻蝕速率增大，刻蝕選擇比也增大．圖2所示為不同線圈功率的影響，固定平板功率為100W，刻蝕氣體C12流量為30sccIII，腔體氣壓為3．99Pa(3lnT)(5C中的刻蝕選擇比都是對于AZ4620光刻膠的)．

刻蝕圖形的粗糙度會隨著線圈功率的增大而增大，過高時會引起微掩模現象．適當降低線圈功率和Q2流量，可在保證刻蝕速率前提下有效抑制微掩模現象，如表1所示(固定平板功率為100W，腔體氣壓為3．99Pa)．

2．2q流量的影響

C12的影響一般以流量來衡量．增大C12流量，會使刻蝕速率增大，不同c12流量對刻蝕速率和刻蝕選擇比的影響如圖3所示(固定線圈功率為600W，平板功率為100W，腔體氣壓為3．99Pa)，為避免出現表l中的微掩模現象，c12流量為608ccnl時采用了500W線圈功率．

2．3平板功率的影響

平板功率可控制襯底表面離子能量，即對ICP刻蝕中物理轟擊作用影響較大；而金屬鈦ICP刻蝕主要以化學作用為主，故與線圈功率相比，平板功率對刻蝕速率的影響要小得多．增大平板功率會使刻蝕速率有一定提高，但當反應不再受限于襯底表面粒子能量的大小即物理轟擊的強弱，而是受限于化學作用的強弱時，速率將不再增大，如圖4所示(固定線圈功率為500w，刻蝕氣體Q2流量為60flCCITI，腔體氣壓為3．99Pa)．可見隨平板功率的增大，刻蝕速率先增大后減小，而由于物理轟擊作用的增強，刻蝕選擇比是降低的．

2．4刻蝕圖形粗糙度

綜合考慮線圈功率、平板功率和刻蝕氣體流量對工藝參數的影響．在較大的線圈功率(如400w或500w)、適中的平板功率和刻蝕氣體流量(如lOOw和60so哪c12流量)條件下，可以保證較快的刻蝕速率和較大的刻蝕選擇比．在此基礎上，筆者采用了單面CMP拋光的鈦片和金屬鎳掩模研究了工藝條件對刻蝕圖形表面粗糙度的影響．當平板功率為100W、刻蝕氣體流量為608ccln、腔體氣壓為3．99Pa時，不同的線圈功率(500w和400W)刻蝕條件下得到的刻蝕圖形表面形貌SEM圖分別如圖5(a)和圖5(b)所示，具體工藝參數如表2所示．

可見500W線圈功率時刻蝕得到的底面底部顆粒多，粗糙度比較大，其底部顆粒圖片如圖6所示(線圈功率為500W，平板功率為100W，c12流量為60seem，腔體氣壓為3．99Pa)，而線圈功率為400w條件下底面則較光滑．?

3實驗結果

結合上述分析，本文確定了一組優化工藝參數：線圈功率為400W，平板功率為100W，C12流量為608c咖和腔體氣壓為3．99Pa．此條件下對應O．91舢／min的刻蝕速率，可以得到表面光滑的刻蝕圖形．刻蝕圖形SEM照片如圖7所示．

4結語

采用不同刻蝕掩模——A2舶20和金屬Ni，對金屬鈦襯底進行了ICP三維深刻蝕實驗，研究了線圈功率、平板功率和C12流量對金屬鈦刻蝕速率、選擇比和刻蝕圖形粗糙度等的影響，并初步確定了一組金屬鈦深刻蝕參數：C12流量1008Cb"q'll，線圈功率400W，平板功率100W，壓強3．99Pa，取得了0．91州miIl的刻蝕速率，并可得到具有光滑表面的刻蝕圖形．

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