薄膜压力传感器制造工艺设备之离子刻蚀机

1、概述

随着半导体器件的发展，芯片图形精度越来越高，常规的湿法腐蚀由于难以避免的横向钻蚀，已不能满足高精度细线条图形刻蚀的要求，于是逐步发展了一系列干法刻蚀技术。应用较普遍的有等离子刻蚀、反应离子刻蚀、二极溅射刻蚀、离子束刻蚀(也称离子铣)。

等离子刻蚀是在湿法腐蚀技术基础上发展起来的，属于纯化学性腐蚀。这种方法腐蚀均匀性好、损伤小，缺点是各向刻蚀同性，对于1μm以下的细线条线宽损失明显。所以，在等离子刻蚀的基础上改进反应结构和接电方式，出现了反应离子刻蚀。该方法加快了纵向的腐蚀速度，具有各向异性的腐蚀特点。对于1μm以下的细线条的腐蚀线宽损失较小。以上两种腐蚀方法都离不开反应气体，刻蚀不同材料需要不同的反应气体及组分（反应气体一般是氯化物或氟化物），需要不同的激励方式和激励条件。对于很难找到合适反应气体的有些材料（如Pt），往往采用纯物理作用的二极溅射刻蚀或离子束刻蚀。二极溅射采用直流方法使气体分子电离，离子对基片轰击引起的损伤大，刻蚀速率低。而离子束刻蚀是一种由离子源提供离子，离子能量低、密度大，对基片损伤小，刻蚀速率快的先进加工方法。这种方法刻蚀的各向异性非常好、图形转移精度高，不用反应气体，工艺安全，工艺参数可控性好，是目前国内外广泛用户应用的一种精密细致的干法刻蚀方法。

制造薄膜压力传感器的离子束刻蚀系统是一种能对固体材料表面进行纳米、微米量级加工的微加工设备，是在国外同类产品的基础上发展起来的新一代微加工设备。该设备可进行微结构图形的离子铣、材料表面的精密微抛光、微形或异形孔的加工、材料表面的微结构加工、材料减薄和原子级洁净处理等微细加工。该设备适用于各种超导材料、微光学器件、晶体材料等精密器件的离子铣、干法蚀刻、抛光、减薄以及现代微电子机械系统MEMS、集成电路、传感器、光电器件、红外器件、声光器件、声电器件、磁电器件、声表面波器件、微电子器件以及医用生物制品等精密微细蚀刻、减薄、抛光等加工，是一种多功能精密微细离子加工设备。该设备具有高分辨率、高精度几何图形转移能力，各向异性刻蚀，适用任何材料，是制造各种高精度器件的理想设备。

2、刻蚀设备的工作原理

离子束刻蚀是用离子轰击工件并把能量转换到工件表面，从表面移出一个或多个原子的一种加工方式。即从离子源把离子引入到真空室中，离子平行且被加速地照射到工件上，从工件表面移出原子。在理想情况下，一个离子从表面移出一个原子，而不干扰任何邻近的原子。

离子刻蚀机由真空加工室、离子束发生器、离子引出和加速系统、离子中和器、束流检测档板（快门）、真空系统、供气及其控制系统、电源装置、计算机控制系统等主要部件组成

3、设备的主要性能特点

①、系统由计算机控制，通过触摸屏操作，参数设置灵活，可控性好。

②、采用特别技术离子束产生器，能量精确可控，适用不同产品蚀刻、抛光、减薄等形式加工，产品加工均匀性好。

③、独特的栅网设计，保证束流的均匀性和稳定性，产品加工一致性和重复性好。

④、对材料无选择性，任何固体材料都可加工。

⑤、工件加工角度可在0°～90°之间任意变化。

⑥、6×10-6mbar无油超真空系统，保证系统在5×10-5～2×10-4 mbar的工作压力下稳定工作。

⑦、工艺安全，无污染。系统操作维护简单，运行成本低。

4、主要技术参数

①、离子束发生器：能量0～1200ev连续可调，束流0～120ma，出口束直径Φ120mm。   

②、综合工作台：单轴旋转10转／分，相对轴倾斜0～90°可调。工作台面直接水冷，台面直径Ф130mm。

③、真空系统：机械泵、分子泵、主阀、组合阀系统。

④、极限真空：5×10-6mbar。

⑤、送气系统：恒压送气，数字质量流量计精确控制。

⑥、离子束供电系统：精密恒流恒压电源。

⑦、快门挡板：计算机自动控制。

⑧、系统互锁：包括电子的、硬件的和气动安全互锁。

5、典型应用

离子束干法刻蚀对基片损伤小、刻蚀速率快、各向异性非常好、图形转移精度高、不用反应气体、工艺安全、工艺参数可控性好，是目前国内外广泛应用的一种精细刻蚀方法。该系统已成为微电子技术领域重要的加工设备之一，是力敏、温敏、气温、磁敏、湿敏等薄膜传感器和磁性器件、磁光波导、磁存贮器、金属异质结结构器件、太阳能电池、声表面波器件、高温超导器件等微纳器件的理想蚀刻、抛光、减薄设备。

6、结束语

离子束刻蚀对材料无选择性，在固定离子束入射角的情况下，刻蚀速率主要与被刻材料有关，并随离子束的能量和束流密度的增加而增加，离子束的能量和束流密度分别可调，所以工艺参数可控性好，容易得到较好的工艺均匀性和重复性；由于离子束刻蚀是各向异性腐蚀，所以图形转移精度高，细线条的线宽损失小；离子束刻蚀只用氩气，不用反应气体，工艺安全，对环境污染小，运转成本低，尤其适用于采用化学方法难以刻蚀的材料的刻蚀及精密的薄膜刻蚀。