mems产品中钛金属连接层刻蚀去胶工艺
技术领域
1.本公开涉及半导体领域，更具体地涉及一种mems产品中钛金属连接层刻蚀去胶工艺。
背景技术：
2.在mems产品中，钛金属常作为连接层使用。针对作为连接层的钛的刻蚀和去胶是mems产品的整体工艺控制上需要重要考虑的方面，有待进一步研究和改进。
技术实现要素：
3.鉴于背景技术中存在的问题，本公开的目的在于提供一种mems产品中钛金属连接层刻蚀去胶工艺，其改进涉及mems产品中作为钛金属连接层的钛薄膜层的刻蚀和去胶方式以避免钛氧化造成的影响。
4.由此，一种mems产品中钛金属连接层刻蚀去胶工艺包括步骤：步骤一，提供待刻蚀的复合膜层，复合膜层包括从下往上依次设置的硅衬底、底层的氮化硅膜层、中间的钛薄膜以及顶层的铝膜层；步骤二，图形化设置光刻胶在顶层的铝膜层上，以使光刻胶覆盖部分的顶层的铝膜层且使光刻胶露出与光刻胶覆盖部分的顶层的铝膜层相邻两侧的部分的顶层的铝膜层；步骤三，将步骤二的完成光刻胶设置的复合膜层置于湿法刻蚀的第一腔室中，在第一腔室中从露出的顶层的铝膜层的部位刻蚀，刻蚀时间的设定为刻蚀到使光刻胶露出的顶层的铝膜层的部位被刻蚀完并使对应的钛薄膜的表面露出；步骤四，将步骤三的完成的使对应的钛薄膜的表面露出的复合膜层置于光刻胶去除设备中采用湿法去胶；步骤五，将步骤四完成的复合膜层图形化设置光刻胶，以使光刻胶包覆置于钛薄膜层上的铝膜层、以及使光刻胶隔着露出的部分钛薄膜覆盖铝膜层两侧的钛薄膜，露出的部分钛膜层对应光刻胶形成的沟槽；步骤六，将步骤五完成的复合膜层置于第二腔室中，在第二腔室中沿着沟槽进行钛薄膜刻蚀，刻蚀时间的设定为刻蚀到使沟槽露出的钛薄膜的部分被刻蚀完并使底层的氮化硅膜层露出；步骤七，将步骤六完成的使底层的氮化硅膜层露出的复合膜层置于光刻胶去除设备中去胶；步骤八，在步骤七完成的复合膜层的钛薄膜以及铝膜层上长膜形成氮化硅覆盖层。
5.本公开的有益效果如下：在本公开的mems产品中钛金属连接层刻蚀去胶工艺中，步骤四的去胶采用湿法，这就避免了采用o2的干法去胶对未受覆盖保护(即露出)的钛的氧化(干法去胶因为高温下进行，使得露出的钛的氧化速度快且氧化程度高)，步骤四的湿法去胶是在步骤六的钛膜层刻蚀前进行的，这样就避免了步骤四的露出的部分的钛膜层采用干法刻蚀时形成的钛氧化物对后续的步骤六的露出的部分的钛膜层进行刻蚀造成的刻蚀速率、刻蚀均匀性、甚至刻蚀获得的形貌的影响，此外，基于步骤四的湿法去胶，有利于彻底地且容易地去除钛金属连接层刻蚀去胶工艺中形成的聚合物(polymer)，进而避免聚合物残留对复合膜层构成的mems产品的性能、内部结构等造成的负面影响。
附图说明
6.图1是在复合膜层的示意图。
7.图2是在复合膜层上设置图案化的光刻胶的示意图。
8.图3是图案化设置光刻胶后的复合膜层刻蚀顶层的铝膜层的示意图。
9.图4是将图3的铝膜层上的光刻胶去除的示意图。
10.图5是在图4的光刻胶去除后再进行图案化设置光刻胶的示意图。
11.图6是在图5的基础上沿着沟槽刻蚀中间的钛薄膜的示意图。
12.图7和图8是在图6的基础上将光刻胶去除先采用干法去胶后湿法去胶的示意图。
13.图9是在图8的光刻胶去除后再进行氮化硅覆盖层长膜后的示意图。
14.图10示出对比例1在步骤七完成之后的与复合膜层对应的mems产品的部位的sem照片。
15.图11示出对比例1在步骤八完成之后的mems产品对应复合膜层的部位的截面的tem照片。
16.图12示出了图11的局部放大图。
17.图13示出对比例1在步骤七完成后的含有复合膜层的mems器件的整体sem照片。
18.图14示出实施例1在步骤七完成后的完成之后的与复合膜层对应的mems产品的部位的sem照片。
19.图15示出实施例1在步骤七完成后的含有复合膜层的mems器件的整体sem照片。
20.图16示出置于空气中的时间对钛的刻蚀速率的影响。
具体实施方式
21.附图示出本公开的实施例，且将理解的是，所公开的实施例仅仅是本公开的示例，本公开可以以各种形式实施，因此，本文公开的具体细节不应被解释为限制，而是仅作为权利要求的基础且作为表示性的基础用于教导本领域普通技术人员以各种方式实施本公开。
22.[mems产品中钛金属连接层刻蚀去胶工艺]
[0023]
参照图1至图9，根据本公开的mems产品中钛金属连接层刻蚀去胶工艺包括步骤：
[0024]
步骤一，提供待刻蚀的复合膜层，复合膜层包括从下往上依次设置的硅衬底、底层的氮化硅膜层、中间的钛薄膜以及顶层的铝膜层，如图1所示；
[0025]
步骤二，图形化设置光刻胶在顶层的铝膜层上，以使光刻胶覆盖部分的顶层的铝膜层且使光刻胶露出与光刻胶覆盖部分的顶层的铝膜层相邻两侧的部分的顶层的铝膜层，如图2所示；
[0026]
步骤三，将步骤二的完成光刻胶设置的复合膜层置于湿法刻蚀的第一腔室中，在第一腔室中从露出的顶层的铝膜层的部位刻蚀，刻蚀时间的设定为刻蚀到使光刻胶露出的顶层的铝膜层的部位被刻蚀完并使对应的钛薄膜的表面露出，如图3所示；
[0027]
步骤四，将步骤三的完成的使对应的钛薄膜的表面露出的复合膜层置于光刻胶去除设备中采用湿法去胶，如图4所示；
[0028]
步骤五，将步骤四完成的复合膜层图形化设置光刻胶，以使光刻胶包覆置于钛薄膜层上的铝膜层、以及使光刻胶隔着露出的部分钛薄膜覆盖铝膜层两侧的钛薄膜，露出的部分钛膜层对应光刻胶形成的沟槽，如图5所示；
[0029]
步骤六，将步骤五完成的复合膜层置于第二腔室中，在第二腔室中沿着沟槽进行钛薄膜刻蚀，刻蚀时间的设定为刻蚀到使沟槽露出的钛薄膜的部分被刻蚀完并使底层的氮化硅膜层露出，如图6所示；
[0030]
步骤七，将步骤六完成的使底层的氮化硅膜层露出的复合膜层置于光刻胶去除设备中去胶，如图7和图8所示；
[0031]
步骤八，在步骤七完成的复合膜层的钛薄膜以及铝膜层上长膜形成氮化硅覆盖层，如图9所示。
[0032]
在本公开的mems产品中钛金属连接层刻蚀去胶工艺中，步骤四的去胶采用湿法，这就避免了采用o2的干法去胶对未受覆盖保护(即露出)的钛的氧化(干法去胶因为高温下进行，使得露出的钛的氧化速度快且氧化程度高)，步骤四的湿法去胶是在步骤六的钛膜层刻蚀前进行的，这样就避免了步骤四的露出的部分的钛膜层采用干法刻蚀时形成的钛氧化物对后续的步骤六的露出的部分的钛膜层进行刻蚀造成的刻蚀速率、刻蚀均匀性、甚至刻蚀获得的形貌的影响，此外，基于步骤四的湿法去胶，有利于彻底地且容易地去除钛金属连接层刻蚀去胶工艺中形成的聚合物(polymer)，进而避免聚合物残留对复合膜层构成的mems产品的性能、内部结构等造成的负面影响。
[0033]
在一示例中，在步骤一中，硅衬底的厚度为1-3μm，底层的氮化硅膜层的厚度为中间的钛薄膜的厚度为顶层的铝膜层的厚度为在步骤八中，在氮化硅覆盖层的厚度为进一步地，在一示例中，在步骤一中，硅衬底的厚度为2μm，底层的氮化硅膜层的厚度为中间的钛薄膜的厚度为顶层的铝膜层的厚度为在步骤八中，在氮化硅覆盖层的厚度为氮化硅覆盖层和底层的氮化硅膜层可采用真空气相沉积，真空气相沉积可以采用化学气相沉积，例如采用sih4和nh3在250℃和2.2mt进行化学气相沉积。此外，氮化硅覆盖层和底层的氮化硅膜层可以依据氮化硅膜层采用多次分步生长膜的方式(即在同一化学气相沉积的沉积室内进行)，分步长膜的次数可以依据实际生产情况来确定。中间的钛薄膜和顶层的铝膜层可采用常压气相沉积，常压气相沉积可以采用常压物理气相沉积(pvd)。
[0034]
步骤二和步骤五的光刻胶的图案化可以采用本领域公知的技术来进行，例如采用tel act8涂光刻胶和nikon s205机台进行光刻使光刻胶图案化。
[0035]
步骤三的第一腔室可以采用任何合适的公知的或市购的提供湿法的刻蚀机台，例如，湿法刻蚀的第一腔室为dns screen ws820l机台的腔室以及适用铝刻蚀的湿法刻蚀液。例如，湿法刻蚀液采用磷酸(h3po4)、硝酸(hno3)和醋酸(ch3cooh)的混合液，进一步地，可以采用体积比为(70-80):(1-7):(10-20)的浓度不低于85％的磷酸、浓度不低于65％的硝酸以及浓度不低于99.5％的醋酸的混合液，混合液的温度可为15-40℃，流量为50-200sccm，速率为1000-1500cc/min，时间为30-50s，药液静置时间为48小时；更具体地，可以采用体积比为70:2:12的h3po4(85％)、hno3(65％)、ch3cooh(100％)的温度为25℃的混合液，流量为100sccm，速率为1200cc/min，时间为40s，药液静置时间为48小时。
[0036]
步骤四的湿法去胶的光刻胶去除设备室可以采用任何合适的公知的或市购的设备，例如，在步骤四中，光刻胶去除设备为芯源ks-s200-6st湿法去胶设备。进一步地，在步骤四中，湿法去胶采用n-甲基吡咯烷酮(nmp)和二甲基亚砜(dmso)构成的有机溶剂，n-甲基
吡咯烷酮(nmp)和二甲基亚砜(dmso)的质量比为5:1。
[0037]
步骤六的钛薄膜刻蚀可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀。
[0038]
在一示例中，在步骤六中，在双频等离子反应的刻蚀气体不含用氧的干法刻蚀的第二腔室中进行钛薄膜刻蚀，设定第二腔室的压力、源功率、偏置功率以及刻蚀时间，通入第二腔室的刻蚀气体为bcl3、cl2和ar，第二腔室的压力为8-14mt，源功率为500-1200w，偏置功率为50-200w，bcl3的流量为10-180sccm，cl2的流量为10-180sccm，ar的流量为5-80sccm。在步骤六的钛薄膜的干法刻蚀中，刻蚀气体不含有氧(o2)和c/f气体(chf3、cf4等)，刻蚀气体不含氧的干法刻蚀也避免了沟槽露出的钛薄膜的部分采用含氧的刻蚀气体刻蚀时钛的氧化形成钛氧化物造成的影响，而刻蚀气体不含有c/f气体，能够避免c/f气体在干法刻蚀时形成厚重的聚合物(polymer)、避免聚合物对钛薄膜的刻蚀速率、刻蚀均匀性的影响。此外，源功率(source power)是上电极功率，偏置功率(bias power)是下电极功率，上电极功率(即源功率)的大小决定着等离子体的浓度，上电极功率的范围不能太小，太小不能进行正常启辉，导致反射高，反射高虽然可以在不报警的情况下进行工艺，但是会导致刻蚀的均匀性大幅度的下降，上电极功率的范围不能太大，太大超出范围会使实际输出的和设定的不符，且稳定性差，减少机器寿命同样地，下电极功率(即偏置功率)用来加速正离子、提供垂直的物理轰击，下电极功率不能太小，太小不能启辉或者反射高，太大在做暖机的时候会对静态卡盘(electrostatic chuck，esc)有损伤或损害射频电源。更具体地，在一示例中，在步骤六中，第二腔室的压力为14mt，源功率为500w，偏置功率为50w，bcl3的流量为50sccm，cl2的流量为30sccm，ar的流量为10sccm。步骤六采用干法刻蚀的第二腔室可以采用任何公知的或市购的提供双频等离子反应的金属刻蚀机台，例如第二腔室为dps(decouple plasma source，美国应用材料公司)metal机台的干法刻蚀腔室。
[0039]
在另一示例中，在步骤六中，在湿法刻蚀的第二腔室中进行钛薄膜刻蚀，湿法刻蚀的药液温度为25℃，药液为体积比为1:1:1的氨水:过氧化氢:水，流量为50sccm，速率为1000cc/min，时间为30s，药液静置时间为24小时。步骤六采用湿法刻蚀的第二腔室可以采用任何公知的或市购的提供钛湿法刻蚀的机台，例如至纯科技ultron s200。
[0040]
针对步骤七的光刻胶的去除，在一示例中，在步骤七中，采用干法将光刻胶去除，干法采用o2和n2。进一步地，在步骤七中，o2的流量为40sccm-160sccm，n2的流量为40sccm-160sccm。更进一步地，在步骤七中，o2的流量为100sccm，n2的流量为100sccm。采用干法将光刻胶去除可以采用美国应用材料公司dps metal机台的去胶腔体(strip chamber)，dps metal机台的去胶腔体与前述双频等离子反应的腔室属于不同的腔。
[0041]
同样地，针对步骤七的光刻胶的去除，在另一示例中，在步骤七中，采用湿法将光刻胶去除。进一步地，湿法采用n-甲基吡咯烷酮(nmp)和二甲基亚砜(dmso)构成的有机溶剂。更进一步地，n-甲基吡咯烷酮(nmp)和二甲基亚砜(dmso)的质量比为5:1。采用湿法将光刻胶去除可采用任何合适的设备，例如芯源ks-s200-6st。
[0042]
同样地，针对步骤七的光刻胶的去除，在再一示例中，可以先采用前述的干法后采用前述的湿法的组合。
[0043]
此外，如前所述且如图1至图9所示，涉及钛金属连接层(即图1至图9中的钛薄膜)的mems产品的制备过程涉及各种不同的步骤之间的转移(即各步骤涉及的设备(即机台)要更换)，基于前述避免钛薄膜氧化的考虑，尽管在转移过程中空气对钛的氧化要比含o2的干
法刻蚀和含o2的去胶时对钛的氧化在程度上低得多，但是为了尽量避免这种转移过程中钛的氧化造成的影响，依然需要对转移过程进行考虑。一种方式是通过控制q-time来进行，具体地，在步骤三中铝膜层下的钛薄膜在刻蚀时的表面露出的时间点记录为q-time的起始时间点，q-time的终止时间为步骤六完成沟槽露出的钛薄膜的部分被刻蚀完的时间点，q-time的起始时间点至q-time的终止时间为q-time所经历的时间段，该时间段设定为不超过3小时，当然在实际生产中越短也好。另一种方式是，在步骤三至步骤八的不同步骤之间的转移过程中复合膜层放置到氮气柜中保存。
[0044]
在本公开的mems产品中钛金属连接层刻蚀去胶工艺中，q-time所涉及的起始时间点和终止时间可通过光谱仪自动抓取。
[0045]
[测试]
[0046]
第一部分：mems产品中钛金属连接层刻蚀去胶工艺
[0047]
对比例1
[0048]
mems产品中钛金属连接层刻蚀去胶工艺采用以下步骤：
[0049]
步骤一，提供待刻蚀的复合膜层，复合膜层包括从下往上依次设置的硅衬底、底层的氮化硅膜层、中间的钛薄膜以及顶层的铝膜层，其中硅衬底的厚度为2μm，底层的氮化硅膜层的厚度为中间的钛薄膜的厚度为顶层的铝膜层的厚度为底层的氮化硅膜层采用两次sih4和nh3在250℃和2.2mt进行化学气相沉积形成，第一次沉积第二次沉积
[0050]
步骤二，图形化设置光刻胶在顶层的铝膜层上，以使光刻胶覆盖部分的顶层的铝膜层且使光刻胶露出与光刻胶覆盖部分的顶层的铝膜层相邻两侧的部分的顶层的铝膜层，其中，采用tel act8涂光刻胶，采用nikon s205机台进行光刻使光刻胶图案化；
[0051]
步骤三，将步骤二的完成光刻胶设置的复合膜层置于湿法刻蚀的第一腔室中，在第一腔室中从露出的顶层的铝膜层的部位刻蚀，刻蚀时间的设定为刻蚀到使光刻胶露出的顶层的铝膜层的部位被刻蚀完并使对应的钛薄膜的表面露出，湿法刻蚀的第一腔室为dns screen ws820l机台的腔室，湿法刻蚀液采用体积比为70:2:12的h3po4(85％)、hno3(65％)、ch3cooh(100％)的温度为25℃的混合液，流量为100sccm，速率为1200cc/min，时间为40s，药液静置时间为48小时；
[0052]
步骤四，将步骤三的完成的使对应的钛薄膜的表面露出的复合膜层置于光刻胶去除设备中采用干法去胶，采用o2和n2将光刻胶去除，o2的流量为2500sccm，n2的流量为1000sccm，干法去胶采用美国应用材料公司dps metal机台的去胶腔体；
[0053]
步骤五，将步骤四完成的复合膜层图形化设置光刻胶，以使光刻胶包覆置于钛薄膜层上的铝膜层、以及使光刻胶隔着露出的部分钛薄膜覆盖铝膜层两侧的钛薄膜，露出的部分钛膜层对应光刻胶形成的沟槽，其中，采用tel act8涂光刻胶，采用nikon s205机台进行光刻使光刻胶图案化；
[0054]
步骤六，将步骤五完成的复合膜层置于湿法刻蚀的第二腔室中，在第二腔室中沿着沟槽进行钛薄膜刻蚀，刻蚀时间的设定为刻蚀到使沟槽露出的钛薄膜的部分被刻蚀完并使底层的氮化硅膜层露出，湿法刻蚀的药液温度为25℃，药液为体积比为1:1:1的氨水:过氧化氢:水，流量为50sccm，速率为1000cc/min，时间为30s，药液静置时间为24小时，湿法刻蚀的第二腔室采用至纯科技ultron s200机台的腔室；
[0055]
步骤七，将步骤六完成的使底层的氮化硅膜层露出的复合膜层置于光刻胶去除设备中去胶，去胶采用先干法去胶后湿法去胶，干法去胶采用o2和n2，o2的流量为100sccm，n2的流量为100sccm，采用美国应用材料公司dps金属刻蚀机台的去胶腔体；湿法去胶采用n-甲基吡咯烷酮(nmp)和二甲基亚砜(dmso)构成的有机溶剂，n-甲基吡咯烷酮(nmp)和二甲基亚砜(dmso)的质量比为5:1，采用芯源ks-s200-6st；
[0056]
步骤八，在步骤七完成的复合膜层的钛薄膜以及铝膜层上长膜形成氮化硅覆盖层，长膜氮化硅覆盖层采用多次sih4和nh3在250℃和2.2mt进行化学气相沉积形成，总沉积厚度
[0057]
图10示出步骤七完成之后的与复合膜层对应的mems产品的部位的sem照片，图11示出步骤八完成之后的mems产品对应复合膜层的部位的截面的tem照片，图12示出了图11的局部放大图。从图10看出，在沟槽部位ti没有被刻蚀干净。从图11和图12看出被铝膜层覆盖保护的钛薄膜的部分未出现钛的氧化，而未被铝膜层覆盖保护的钛薄膜的部分则出现钛的氧化。
[0058]
图13示出步骤七完成后的含有复合膜层的mems器件的整体sem照片，照片中处于上方的部分对应的是步骤七完成后(步骤八未进行)的复合膜层，对应的是可以看到，图12的照片的上方的部分分布有厚重的聚合物(polymer)。
[0059]
实施例1
[0060]
除步骤四湿法去胶(湿法去胶采用n-甲基吡咯烷酮(nmp)和二甲基亚砜(dmso)构成的有机溶剂，n-甲基吡咯烷酮(nmp)和二甲基亚砜(dmso)的质量比为5:1，采用芯源ks-s200-6st)外，其余同对比例1。
[0061]
图14示出步骤七完成后的完成之后的与复合膜层对应的mems产品的部位的sem照片，与对应的图10相比，图14在沟槽的部位钛被刻蚀干净。
[0062]
图15示出步骤七完成后的含有复合膜层的mems器件的整体sem照片，照片中处于上方的部分对应的是步骤七完成后(步骤八未进行)的复合膜层，对应的是可以看到，图15的照片的上方的部分表面与图13相比干净无聚合物(polymer)。
[0063]
第二部分：不同步骤转移中空气氧化的影响
[0064]
q-time对钛刻蚀的影响
[0065]
在硅衬底上采用常压物理气相沉积生长的钛膜层，每隔3h做一片，三片一起在至纯科技ultron s200机台中进行采用湿法刻蚀，湿法刻蚀的药液温度为25℃，药液为体积比为1:1:1的氨水:过氧化氢:水，流量为50sccm，速率为1000cc/min，时间为20s，药液lifetime 72h，q-time的起始时间点从三个片子从压物理气相沉积取出计，取出后置于空气中对应时间终止来计算q-time所经历的时间段。
[0066]
表1刻蚀速率与q-time的关系
[0067][0068][0069]
表1中，片3是q-time所经历的时间段为片3置于空气中0.5小时，片2为q-time所经
历的时间段为片2置于空气中3.5小时，片1为q-time所经历的时间段为片2置于空气中6.5小时。
[0070]
基于表1绘制的图16看出，随着q-time时间的加长，er会变慢。0-3h速率下降约3-6h速率下降约这说明随着q-time时间，开始ti氧化的快，后期ti氧化逐渐变缓。
[0071]
采用上面详细的说明描述多个示范性实施例，但本文不意欲限制到明确公开的组合。因此，除非另有说明，本文所公开的各种特征可以组合在一起而形成出于简明目的而未示出的多个另外组合。