[发明专利]一种刻蚀金属钼材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)工艺技术领域，特别涉及一种各向异性、高速率刻蚀金属钼体材料的方法。

背景技术

在MEMS器件加工制造中，传统结构衬底材料通常采用单晶硅材料，而单晶硅材料存在一些固有缺陷，如脆性高，抗冲击能力差；相对金属材料其导电性较差，电阻率较高；热稳定性相对较差，杨氏模量在超过600℃的时候会发生明显变化，不适于高温条件下应用，影响了器件的应用范围。

金属钼材料具有高熔点(2610℃)、高强度、高硬度、低电阻率的特点。金属钼材料耐高温，耐冲击、耐磨损，热稳定性好，能够保证器件在高温条件下稳定工作，是MEMS器件加工制造结构材料的很好的选择，尤其适用于高温等较为恶劣或极端的环境。传统钼材料多采用物理或化学沉积等方法形成薄膜，但由于工艺限制和应力等原因，薄膜厚度一般不超过2微米，影响了器件的设计和制造。如果能够以金属钼体材料作为结构材料取代传统的单晶硅体硅材料制作MEMS开关、MEMS谐振器、MEMS探针卡等器件，由于前面所述特性，这些器件将具有更优越的电学、力学和耐高温等特性。金属钼是最常用的电火花工具电极材料之一，金属钼体材料通过微细加工形成工具微电极，可用于微细电火花加工；相较铜等微细金属电极材料，金属钼体材料微电极磨损率低，加工耐久性强，加工精度高，可以有效提高加工质量和稳定性。

由于金属钼材料高密度高硬度等性质，传统的反应离子刻蚀工艺对其产生的刻蚀速率非常低，横向钻蚀也较大，无法在相对较短时间内实现大深度、高深宽比的刻蚀，无法满足MEMS器件的制造需求。因此，目前对金属钼材料的应用多是在集成电路工艺中，通过物理或化学沉积的方法制备一层厚度小于2微米的薄膜，而后利用传统反应离子刻蚀工艺对其进行加工，制备出器件的一部分，如金属栅、金属互联、金属二极管等，使用的刻蚀气体或气体组合涉及CF₄，CF₄+O₂，Cl₂，Cl₂+O₂，SF₆，SF₆+O₂，NF₃，CCl₄+O₂等，采用的刻蚀方法涉及平板等离子体刻蚀(PE)、反应等离子体刻蚀(RIE)、电子回旋共振等离子体刻蚀(ECR)等，由于等离子体密度相对较低(小于10¹⁰-10¹²cm^-3)，能量低，产生的刻蚀速率一般远小于1微米每分钟。

目前，没有相关报道采用金属钼体材料作为主要结构制备的MEMS器件，而现有钼材料的刻蚀工艺速率普遍较低，各向异性差成为主要瓶颈。适用于金属钼体材料的加工，能实现高速率、高深宽比的刻蚀的工艺方法尚无报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对金属钼材料实现高深宽比刻蚀的方法，特别是可以实现金属钼体材料的各向异性、高速率刻蚀的方法，以扩展金属钼体材料在MEMS器件制备领域中的应用。

本发明对金属钼材料(尤其是金属钼体材料)进行刻蚀的方法是，在金属钼材料上形成刻蚀掩膜，然后采用等离子体密度大于10¹²cm^-3的高密度等离子体干法刻蚀对金属钼材料进行刻蚀。

现有的感应耦合等离子体(ICP)和变压器耦合等离子体(TCP)等干法刻蚀工艺经优化后都可以产生高密度等离子体。优化的线圈功率是≥600W，用于产生高密度等离子体，进而实现高速率刻蚀；优化的平板功率是≥150W，辅以增加离子轰击衬底能量以及调整轰击方向，进而实现高刻蚀速率下的各向异性。

进一步的，为了增加刻蚀速率和刻蚀的各向异性，刻蚀过程中下电极托盘设置温度≤5℃，刻蚀腔体内气压≤50mTorr。采用较低的衬底托盘温度和较低的腔体气压可以增强对金属钼材料刻蚀的各向异性，增加刻蚀结果侧壁的陡直度。

氟基气体、氯基气体和溴基气体均可在上述条件下对金属钼材料产生刻蚀，其组合也可以在上述条件下对金属钼材料产生刻蚀，对前述各种气体或气体组合增加O₂、Ar等气体可以进一步增加刻蚀速率以及刻蚀侧壁陡直度。