专利名称：一种硅通孔刻蚀方法
技术领域：
本发明属于微机电系统(MEMS)微纳加工领域，尤其涉及一种硅通孔刻蚀方法。
背景技术：
近年来，计算机、通讯、汽车电子、航空航天工业和其他消费类产品对微电子封装提出了更高的要求，即更小、更薄、更轻、高可靠、多功能、低功耗和低成本，需要在硅圆片上制作出许多垂直互连通孔来实现不同芯片之间的电互连，因此硅通孔刻蚀工艺成为微机电系统(MEMS)微纳加工领域一个重要技术。硅通孔刻蚀工艺是一种采用等离子干法刻蚀的深硅刻蚀工艺，目前，深硅刻蚀一般采用Bosch工艺和金属掩膜。Bosch工艺，也被称作“切换式刻蚀工艺”，以氟的等离子气体化学方法刻蚀硅，在刻蚀过程中，加入刻蚀气体刻蚀一段时间，然后再用碳氟等离子气体对刻蚀基底侧壁钝化，钝化一段时间，之后再进行刻蚀，这样循环地进行刻蚀和钝化交替加工；在实际刻蚀过程中，需要上百次的刻蚀与钝化交替重复加工，来提高刻蚀的选择性。这种交替加工的方法，不可避免的将会在基底侧壁产生波纹，交替加工积累的能量将使光刻胶损坏，不能很好保护下面的硅片，影响刻蚀样品的表面质量；采用金属掩膜，在加工时会产生根切(undercut)现象，另外也会带来金属污染。
发明内容
本发明提供一种硅通孔刻蚀方法，解决采用现有Bosch工艺和金属掩膜进行深硅刻蚀存在基底侧壁产生波纹、光刻胶容易损坏和金属污染的问题。本发明的一种硅通孔刻蚀方法，包括(1)制备图形步骤在硅片上均勻涂覆光刻胶，光刻胶厚度10 15 μ m ；采用光刻工艺在光刻胶上制备出所需图形；(2)刻蚀步骤利用Bosch工艺，在感应耦合等离子刻蚀机内，对制备图形的硅片进行40 80次刻蚀和钝化交替加工后，暂停加工，待光刻胶冷却后，再进行40 80次刻蚀和钝化交替加工；如此循环交替，直至硅片被刻蚀部分剩余厚度小于150um ；感应耦合等离子刻蚀机工艺腔压力30 40mtorr，温度10 30°C ；每次刻蚀和钝化交替加工中，刻蚀阶段射频功率25 30w，感应耦合等离子功率 700 800W,刻蚀时间10 12秒，加入气体为C4F8和SF6, C4F8流量:5士 lsccm，SF6流量 100士5sccm ；钝化阶段射频功率10 15W，感应耦合等离子功率700 800W，钝化时间10 12 秒，加入气体为 C4F8 和 SF6, C4F8 流量:100士5sccm，SF6 流量:5士 Isccm ；(3)加培片步骤选用厚度大于300 μ m的整片硅片做为培片，在培片上面涂覆真空导热油，将经过步骤( 加工的硅片粘附在培片上面；(4)穿透步骤对经过步骤C3)处理的硅片，采用步骤O)的刻蚀工艺直至刻穿硅片；(5)去除光刻胶步骤将刻穿的硅片浸入丙酮溶液，经超声波处理，去掉硅片上残余的光刻胶，得到具有通孔结构的硅片。在刻蚀步骤中，为了避免长时间刻蚀与钝化交替加工积累的能量将使光刻胶损坏，采用40 80次循环交替刻蚀后，暂停加工，使光刻胶冷却，避免降低其保护作用，然后循环刻蚀；在刻蚀气体SF6中同时加入了钝化气体C4F8 ；在钝化沉积步骤中，在钝化气体 C4F8中同时加入了刻蚀气体SF6,用以提高侧壁光滑度，消除侧壁波纹；刻蚀和钝化时间都为10 15秒，在保证侧壁垂直的前途下，尽可能的提高刻蚀速度。在加培片步骤中，当硅片快刻蚀穿时，选择大于300 μ m厚的硅片作为培片，在培片上面涂覆真空导热油，把硅片粘附在上面，以防止刻穿后，硅片破裂，并损害设备。然后再接着刻蚀，直至刻穿硅片。本发明采用标准光刻工艺制备出图形，工艺简单，刻蚀速度非常快，可达3. 3 μ m/ min ；采用光刻胶做掩膜，刻蚀后非常容易去除，还可以避免金属掩膜带来的金属污染；利用Bosch工艺，在感应耦合等离子刻蚀机内对硅片进行刻蚀，容易控制通孔侧壁垂直度；提高了侧壁光滑度，消除侧壁波纹。
图1为本发明的工艺流程图；图2为刻蚀后侧壁的SEM图；图3为4英寸200 μ m厚硅片被刻穿，各种通孔的示意图；图4为2英寸250 μ m厚硅片被刻穿的示意图。图5为4英寸250 μ m厚硅片被刻穿的示意图。
具体实施例方式实施例1，包括(1)制备图形步骤在厚度200 μ m、4英寸硅片上均勻涂覆光刻胶，光刻胶厚度10 μ m ；采用光刻工艺和karl suss MA6光刻机在光刻胶上制备出所需图形；(2)刻蚀步骤利用Bosch工艺，在牛津仪器公司的Oxford Plasmalab ICP感应耦合等离子刻蚀机内，对制备图形的硅片进行50次刻蚀和钝化交替加工后，暂停加工，待光刻胶冷却后，再进行50次刻蚀和钝化交替加工；如此循环交替，直至硅片被刻蚀部分剩余厚度小于150um ； 其刻蚀侧壁垂直度和光滑度如图2所示；感应耦合等离子刻蚀机工艺腔压力40mtorr，温度:20°C ；每次刻蚀和钝化交替加工中，刻蚀阶段射频功率25w，感应耦合等离子功率 700W，刻蚀时间10秒，加入气体为C4F8和SF6, C4F8流量:5sccm，SF6流量IOOsccm ；
钝化阶段射频功率10W，感应耦合等离子功率700W，钝化时间10秒，加入气体为 C4F8 禾口 SF6, C4F8 流量IOOsccm, SF6 流量5sccm ；(3)加培片步骤选用厚度500 μ m的整片4英寸硅片做为培片，在培片上面涂覆真空导热油，将经过步骤( 加工的硅片粘附在培片上面；(4)穿透步骤对经过步骤C3)处理的硅片，采用步骤O)的刻蚀工艺直至刻穿硅片；(5)去除光刻胶步骤将刻穿的硅片浸入丙酮溶液，经超声波处理，去掉硅片上残余的光刻胶，得到具有通孔结构的硅片，如图3所示。本实施例所需刻蚀时间为60min。实施例2，包括(1)制备光刻胶图形步骤在厚度250 μ m、2英寸硅片上均勻涂覆光刻胶，光刻胶厚度15 μ m ；采用光刻工艺在光刻胶上制备出所需图形；(2)刻蚀步骤利用Bosch工艺，在牛津仪器的Oxford Plasmalab ICP感应耦合等离子刻蚀机内，对制备图形的硅片进行40次刻蚀和钝化交替加工后，暂停加工，待光刻胶冷却后，再进行40次刻蚀和钝化交替加工；如此循环交替，直至硅片被刻蚀部分剩余厚度小于150um ；感应耦合等离子刻蚀机工艺腔压力40mtorr，温度10°C ；每次刻蚀和钝化交替加工中，刻蚀阶段射频功率30w，感应耦合等离子功率 800W，刻蚀时间12秒，加入气体为C4F8和SF6, C4F8流量:4sccm，SF6流量:95sccm ；钝化阶段射频功率15W，感应耦合等离子功率800W，钝化时间12秒，加入气体为 C4F8 禾口 SF6, C4F8 流量:95sccm, SF6 流量4sccm ；(3)加培片步骤选用厚度为350μπι的整片硅片做为培片，在培片上面涂覆真空导热油，将经过步骤( 加工的硅片粘附在培片上面；(4)穿透步骤对经过步骤( 处理的硅片，采用步骤O)的刻蚀工艺直至刻穿硅片；(5)去除光刻胶步骤将刻穿的硅片浸入丙酮溶液，经超声波处理，去掉硅片上残余的光刻胶，得到具有通孔结构的硅片，如图4所示。本实施例所需刻蚀时间为75min。实施例3，包括(1)制备光刻胶图形步骤在厚度250 μ m、4英寸硅片上均勻涂覆光刻胶，光刻胶厚度15 μ m ；采用光刻工艺和karl suss MA6光刻机在光刻胶上制备出所需图形；(2)刻蚀步骤利用Bosch工艺，在牛津仪器的Oxford Plasmalab ICP感应耦合等离子刻蚀机内，对制备图形的硅片进行80次刻蚀和钝化交替加工后，暂停加工，待光刻胶冷却后，再进行80次刻蚀和钝化交替加工；如此循环交替，直至硅片被刻蚀部分剩余厚度小于150um ；其刻蚀侧壁垂直度和光滑度如图2所示；感应耦合等离子刻蚀机工艺腔压力30mtorr，温度 30 0C ；每次刻蚀和钝化交替加工中，刻蚀阶段射频功率25w，感应耦合等离子功率 750W，刻蚀时间10秒，加入气体为C4F8和SF6, C4F8流量:6sccm，SF6流量:105sccm ；钝化阶段射频功率10W，感应耦合等离子功率750W，钝化时间10秒，加入气体为 C4F8 禾口 SF6, C4F8 流量:105sccm, SF6 流量6sccm ；(3)加培片步骤选用厚度500 μ m的整片4英寸硅片做为培片，在培片上面涂覆真空导热油，将经过步骤( 加工的硅片粘附在培片上面；(4)穿透步骤对经过步骤( 处理的硅片，采用步骤O)的刻蚀工艺直至刻穿硅片；(5)去除光刻胶步骤将刻穿的硅片浸入丙酮溶液，经超声波处理，去掉硅片上残余的光刻胶，得到具有通孔结构的硅片，如图5所示。本实施例所需刻蚀时间为80min。
权利要求
1. 一种硅通孔刻蚀方法，包括(1)制备图形步骤在硅片上均勻涂覆光刻胶，光刻胶厚度10 15 μ m ；采用光刻工艺在光刻胶上制备出所需图形；(2)刻蚀步骤利用Bosch工艺，在感应耦合等离子刻蚀机内，对制备图形的硅片进行40 80次刻蚀和钝化交替加工后，暂停加工，待光刻胶冷却后，再进行40 80次刻蚀和钝化交替加工；如此循环交替，直至硅片被刻蚀部分剩余厚度小于150um ；感应耦合等离子刻蚀机工艺腔压力30 40mtorr，温度10 30°C ；每次刻蚀和钝化交替加工中，刻蚀阶段射频功率25 30w，感应耦合等离子功率 700 800W,刻蚀时间10 12秒，加入气体为C4F8和SF6, C4F8流量:5士 lsccm，SF6流量 100士5sccm ；钝化阶段射频功率10 15W，感应耦合等离子功率700 800W，钝化时间10 12秒， 加入气体为 C4F8 和 SF6, C4F8 流量100士5sccm，SF6 流量:5士 Isccm ；(3)加培片步骤选用厚度大于300 μ m的整片硅片做为培片，在培片上面涂覆真空导热油，将经过步骤 (2)加工的硅片粘附在培片上面；(4)穿透步骤对经过步骤C3)处理的硅片，采用步骤O)的刻蚀工艺直至刻穿硅片；(5)去除光刻胶步骤将刻穿的硅片浸入丙酮溶液，经超声波处理，去掉硅片上残余的光刻胶，得到具有通孔结构的硅片。
全文摘要
一种硅通孔刻蚀方法，属于微机电系统微纳加工领域，解决采用现有Bosch工艺和金属掩膜进行深硅刻蚀存在基底侧壁产生波纹、光刻胶容易损坏和金属污染的问题。本发明包括制备图形步骤、刻蚀步骤、加培片步骤、穿透步骤和去除光刻胶步骤。在刻蚀步骤中，循环交替刻蚀后，暂停加工，使光刻胶冷却，避免降低其保护作用，然后再循环刻蚀；在刻蚀气体中加入了钝化气体；在钝化气体中加入了刻蚀气体，用以提高侧壁光滑度；在加培片步骤中，把硅片粘附在培片上面，以防止刻穿后，硅片破裂，并损害设备。本发明工艺简单，刻蚀速度快，采用光刻胶做掩膜，刻蚀后容易去除，还避免金属污染；容易控制通孔侧壁垂直度；提高了侧壁光滑度，消除侧壁波纹。
文档编号B81C1/00GK102431960SQ20111040250
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月7日 优先权日2011年12月7日
发明者卓锐, 史铁林, 廖广兰, 李晓平, 谭先华, 高阳 申请人:华中科技大学