引言

眾所周知，微機電系統(MEMS)嚴重依賴于集成電路制造中使用的材料，例如單晶硅。然而，由于金屬、玻璃和壓電陶瓷的特殊性質，這些材料在MEMS中的使用正在迅速增加。

鈦、鉭、鈮和鉬通常被歸類為稀有金屬，它們中的一些具有特殊的特性，例如生物相容性、耐腐蝕性和高韌性。這些特性使得這些金屬可應用于MEMS的各個領域，此外，這使得這些難以蝕刻的材料的深度反應離子蝕刻變得有吸引力。

為了使基于微量金屬的MEMS成為傳統硅基器件有競爭力的替代物，我們必須實現高蝕刻速率、高掩模選擇性和高縱橫比。氯氣的使用是使我們能夠實現高蝕刻速率的替代方法。

實驗與討論

為了克服不揮發反應產物的問題，我們必須提高這些反應產物的溫度。基于這一想法，英思特提出了一種簡單的熱反應離子刻蝕(TRIE)方法。在TRIE中，通過在常規反應離子蝕刻(RIE)系統的陰極上放置自加熱臺來增加蝕刻速率，選擇性地且快速地增加襯底的溫度。

圖1顯示了專門設計的蝕刻階段(自加熱階段)的概念示意圖。當等離子體被激活時，該平臺暴露于離子轟擊，并接收來自離子轟擊、射頻(RF)功率和等離子體熱輻射的能量。載物臺的低熱容確保這些能量迅速提高中間部分的溫度。

圖1：蝕刻階段概念圖

圖2展示出了從實驗結果獲得的溫度分布和加熱特性的模擬結果的例子。圖2(a)顯示載物臺的溫度可以在僅僅10分鐘內升高到大約521K。如圖2(b)所示，臺的中間部分的溫度范圍從525到529K。溫度的均勻性足以進行處理。

圖2：特殊設計的自熱級的熱響應

我們測量了RIE或TRIE處理前后鎳的高度，以及RIE或TRIE處理后少量金屬的處理部分的深度，以計算平均蝕刻速率和選擇性。實驗得出，TRIE的蝕刻速率隨著工作臺的溫度而變化，并且在10分鐘內變為大約0.6 m/min，這比使用常規RIE獲得的蝕刻速率高三倍。TRIE的選擇性可以在30分鐘內達到約29的值，這比常規RIE達到的值高得多。

英思特研究發現TRIE中Ti、Mo和Nb的蝕刻速率比RIE的蝕刻速率高得多，Ta和Ti-6Al-4V的蝕刻速率略高于RIE的蝕刻速率。盡管TRIE對各種微量金屬的作用不同，但它確實大大提高了這些材料的蝕刻速率。

由TRIE工藝產生的底切可以通過調節溫度和RF功率來減少，并且蝕刻表面和側壁粗糙度可以通過添加氬氣和/或C4F8氣體來減少。少量添加原子(Al 6%，V 4 %)使鈦合金難以蝕刻，因為AlF3的沸點很高。然而，并不是所有這些次要金屬的腐蝕速率的差異都可以簡單地用反應產物沸騰溫度的差異來解釋。在鉬的情況下，還必須考慮蝕刻產物的化學種類和結合能。

結論

英思特對新設計的自加熱平臺的熱響應進行了評估，研究結果表明，即使不使用電感耦合等離子體源，也可以使常規RIE系統更加有效。對鈦、鈦合金、鉬、鉭和鈮的蝕刻特性進行了評估，結果表明該方法可以大大提高這些次要金屬的蝕刻速率和掩模選擇性。然而，在次要金屬的蝕刻表面和側壁形狀方面仍然存在一些問題，因此，需要進一步優化，例如改善表面粗糙度等。

審核編輯：湯梓紅