摘要
随着MEMS技术的发展，MEMS器件上的微结构从之前单一的表面结构向更为复杂的三维空间立体结构加工方法发展，高深宽比结构的加工则是其中一个重要的方向。深硅刻蚀技术作为高深宽比结构的加工方法已成为国内外的研究热点。由Robert Bosch公司持有专利的交替往复式工艺（Bosch工艺）主要用于深硅刻蚀，是目前应用最广泛也是发展最成熟的深硅刻蚀工艺。交替往复式工艺能够达到很大的深宽比和选择比。而RIE-ICP刻蚀系统可独立控制等离子体密度和离子轰击能量、刻蚀速率高、结构简单、成本低、工艺稳定性强，占据着深硅刻蚀市场主要地位。本论文通过对掩蔽层图形化工艺的实验和掩蔽层材料的选择以及利用RIE-ICP刻蚀系统进行深硅刻蚀工艺参数的优化研究，实现了硅通孔的加工。 本论文的主要研究内容如下：
1.通过实验的方式设计并验证了掩蔽层图形化的相关工艺参数。成功地将图形拼装式冷库
由光刻板准确地转移到了掩蔽层上，为后续深硅刻蚀做好准备。
2.通过对刻蚀原理的分析，研究了深硅刻蚀工艺参数与形貌特性及主要工艺要
求之间的关系，为后续的工艺参数制定奠定了理论基础。
3.通过大量实验确定掩蔽层的刻蚀速率与深硅刻蚀工艺参数的关系，并确定了
光刻胶作为掩蔽层的材料。
4.综合考虑了硅通孔的刻蚀深度、刻蚀速率、侧壁倾角、刻蚀选择比、扇形褶
皱等因素，设计并逐步完善了深硅刻蚀工艺参数，最终实现了深度179μm、刻蚀速率10μm/m in、侧壁倾角90.9°、光刻胶刻蚀选择比147:1、扇形褶皱尺寸126.6nm的硅通孔。
关键词：交替往复式深硅刻蚀；RIE-ICP刻蚀；掩蔽层；图形化。
Abstract
As the development of the Micro Electromechanical System (MEMS), the micro structures of MEMS devices also developed from simple surface structures to more complicated structures in three-dimensional forms, which will add complexities to the device fabrication. The fabrication of high aspect ratio structure is one of the most important issues. The deep etching technology for silicon has been paid a lot of attention to as one method of fabricating high aspect ratio structures. The time-multiplexed alternating process, whose patent held by Inc. Robert Bosch, is used in silicon deep etching. It can make high aspect ratio and selectivity. The RIE-ICP etching system can control the plasma density and the ions bombardment energy independently. In addition, it has other advant
ages, such as fast etching rate, simple structure, low cost, high process stability, and so on. The RIE-ICP etching system occupies the main market position. In this paper, a series of experiments and analysis have been performed to realize the fabrication of the through silicon via, including barrier layer patterning process experiments, barrier layer material selection and process parameter optimization of the RIE-ICP etching system.
This paper includes four main sections as follows:
1.Design and achieve barrier layer patterning parameters through experiments.
Pattern is accurate transferred from mask to the barrier layer, ready for the subsequent deep etching for silicon;
2.By analyzing the etching principle, research the relationship between the
silicon deep etching parameters, surface characteristics and the process specifications; laid a theoretical foundation for the follow-up of the process parameters to optimize;
3.On the base of a lot of experiments, make sure the relationship between the
etching rate and the silicon deep etching parameters. In addition, make sure that utilizing the photo resist as the barrier layer material;
4.Overall consideration of many parameters such as etch depth, etch rate, sidewall
profile, selectivity and scallop size, optimize silicon deep etching parameters. We achieve a through silicon via that depth 179μm，etch rate 10μm/min, side wall profile 90.9°, selectivity 147:1, scallop size 126.6nm finally.
Key words: time-multiplexed alternating process, RIE-ICP etching, barrier layer, patterning
目录
第一章绪论 (1)
1.1引言 (1)
1.2深硅刻蚀技术 (3)
1.3深硅刻蚀技术发展现状 (5)
太阳影子定位
1.4课题意义及内容 (6)
1.4.1课题研究的来源和意义 (6)
1.4.2课题研究内容及章节安排 (7)
第二章掩蔽层的图形化 (8)
2.1掩蔽层图形化加工工艺 (8)
2.1.1硅片的清洗 (8)
2.1.2薄膜沉积 (8)
2.1.3光刻工艺 (10)
2.1.4刻蚀工艺 (14)
2.1.5除胶工艺 (14)
2.2掩蔽层图形化实验 (15)
2.2.1掩蔽层材料 (15)
2.2.2掩蔽层薄膜（光刻胶）的制备 (15)
2.2.3掩蔽层薄膜（二氧化硅）的制备 (17)
第三章RIE-ICP深硅刻蚀的相关技术 (22)
3.1等离子体刻蚀技术的原理 (22)
3.1.1等离子体的产生 (22)
3.1.2等离子体刻蚀机制 (23)
办公桌隔断
3.1.3反应离子刻蚀原理 (24)
3.1.4感应耦合等离子体刻蚀原理 (26)
3.2RIE-ICP深硅刻蚀技术及原理 (29)
3.2.1RIE-ICP深硅刻蚀系统 (29)
3.2.2交替往复式工艺 (29)
3.2.3交替往复式工艺理论分析 (33)
原油脱硫剂
3.2.4交替往复式工艺的模型 (36)
3.2.5交替往复式工艺的指标 (38)
第四章深硅刻蚀技术实验及结果分析 (43)
4.1掩蔽层材料的选择 (43)
4.2深硅刻蚀工艺的优化 (47)
4.3实验小结 (55)
第五章全文总结及展望 (57)
5.1全文总结 (57)
5.2工作展望 (58)
光固化打印机
参考文献 (59)
致谢63
第一章 绪论
1
第一章
绪论
1.1 引言 MEMS 是微机电系统（Micro Electromechanical Systems ）的英文缩写，指的是特征尺寸在1nm 到1mm 之间，可批量制作的，利用硅微加工、传统精密机械加工以及LIGA 技术等MEMS 加工技术，集微型机构、微型传感器、信号处理电路、信号控制电路以及微型执行器再至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。
MEMS 源于19世纪的照相制版工艺；1987年，UC Berkeley 通过硅微加工技术制造出了转子直径为60~120μm 的多晶硅静电驱动马达，开启了微机械领域；1993年，美国ADI 公司成功地将MEMS 加速度计大批量应用于汽车防撞气囊，标志着MEMS 技术进入了商品化时代。随着20年来MEMS 技术的
不断发展，MEMS 加速度计、陀螺仪、喷墨打印机喷嘴、滤波器、功率放大器等越来越多的产品已广泛应用于各个领域，体现了广阔的应用前景。
MEMS 以其鲜明的特点被誉为21世纪具有战略意义的革命性的高新技术：
(1) 微型化：微机电系统纳米/微米级的特征尺寸意味着微尺寸、小重量、低功耗、高谐振频率。例如，一部手机内的PCS 频带双工器的尺寸只有 1.5×0.7mm [1]。
(2) 多元化：微机电系统集合了数据的采集与处理，信息的接受与发放，命令的执行等多种功能，还可将执行机构、控制系统、光学系统等灵活地结合成为一个微系统单元，以便形成多元化的系统。
(3) 微电子化：MEMS 工艺可以在很小的区域内将不同传感方向的多个传感器或不同致动方向的执行器组合成微传感器阵列、微执行器阵列，形成更为精细的微系统，以此来制造出可靠性、稳定性更高的高性能微机电系统。
(4) 批量生产：基于微电子和微加工工艺的MEMS 技术，在一片硅片上可同时制造出成千上万个微机电系统，从而大大降低了单件产品的成本。
(5) 多学科交叉：MEMS 将机械结构与电子科技有机地结合了起来，实现了电子工程、生物工程、医学、物理、化学、生物等领域的融合，集约了当今科技的许多尖端成果。在航空航天、汽车、机械工
业、消费电子、生物医学等诸多领域都有十分广泛应用。
目前MEMS 的相关技术主要涉及到一下几个方面：
1. MEMS 产品的设计与研发管
MEMS 产品的设计经常需要跨学科理论支持、综合考虑多个学科理论，由
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