ICP刻蚀中的二级台阶刻蚀研究

ICP刻蚀中的二级台阶刻蚀研究
科技信息2010年第15期
SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION 0引言
刻蚀是选择性的去除部分薄膜或者衬底材料的加工工艺。

IC 制
造中通常只刻蚀薄膜，不需要刻蚀衬底；MEMS 制造中除刻蚀薄膜外，还经常刻蚀单晶硅衬底。

刻蚀可以分为湿法刻蚀和干法刻蚀，湿法刻蚀是利用溶液与被刻蚀材料发生化学反应进行刻蚀，而干法刻蚀主要是利用反应气体或等离子体进行刻蚀。

湿法刻蚀是一种化学加工方法，它利用刻蚀溶液与被刻蚀材料发生化学反应实现刻蚀。

优点是方法和设备比较简单,工艺相对稳定,且对掩蔽层和底层材料有很高的选择比。

而缺点是属于各向同性刻蚀,不可避免地会出现钻蚀现象,因而无法精确控制线宽,甚至造成断裂,此外,还会产生大量废液,污染环境,也不利于实现自动化等。

干法刻蚀是将被加工的基片置于等离子体中,在带有腐蚀性、具有一定能量离子的轰击下,反应生成气态物质,去除被刻蚀薄膜。

目前常见的干法刻蚀方法主要是有反应离子刻蚀。

但由于反应离子刻蚀(RIE)其在大面积均匀性、纵向和横向的微细加工精度等方面的能力所限,因此,为适应M EM S 工艺日新月异的发展,一些新的低气压、高密度等离子体刻蚀设备脱颖而出。

而感应耦合等离子（ICP ）刻蚀技术与RIE 相比,
具有结构简单、性价比高、装置的环径比更大且装置更小型化及操作简便等特点,且具有至少在直径20cm 范围内的均匀性、可独立控制离子密度和离子能量的优点,已成为目前较为理想的干法刻蚀技术。

1感应耦合等离子刻蚀原理
等离子体对材料的刻蚀分为物理刻蚀和化学刻蚀．物理刻蚀是通过加速离子对基片表面的撞击，将基片表面的原子溅射出来，以离子能量的损失为代价，达到刻蚀目的。

化学反应刻蚀是反应等离子体在放电过程中产生许多离子和许多化学活性中性物质即自由基，这些中性物质是活跃的刻蚀剂，它与Si 、SiO 2基片发生化学反应如下：4F -+Si →SiF 4↑
4F -+SiO 2→SiF 4↑+O 2
ICP 系统有2个独立的13.56M hz 的射频电源RF 1和RF 2，一个接到反应室外的电感线圈，功率为1500W ，另一个接反应室内的电极，功率为700W 。

给反应室外的线圈加压时，反应室内产生交变的电磁场，当电场达一定程度时，气体产生放电现象，进入等离子态，交变的电磁场使等离子体中电子路径改变，增加等离子体密度。

反应室内的电极电压提供偏置电压，给等离子体提供能量，使等离子体垂直作用于基片，并与其反应生成可挥发的气态物质，以达到刻蚀的目的。

反应生成的可挥发气体由机械泵从反应室中抽出。

感应耦合等离子体刻蚀系统还包括供气系统、抽气系统、冷却系统，供气系统和冷
却系统由流量计控制其流量，抽气系统由机械泵抽真空，并由真空计测其真空度，整个系统结构如图1所示。

2二级台阶的刻蚀实验
本次实验使用的是北京金盛威纳科技有限公司生产的ICP-500型全自动等离子体刻蚀机和BGJ-4B 型曝光机。

所加工产品为具有二级台阶的计算机硬盘磁头的模型。

二维图形尺寸如图2所示。

图1ICP 刻蚀原理图
图2磁头二维图形尺寸
用matlab 模拟多轨磁头的形貌如图3：
图3硬盘磁头模型尺寸
图4掩膜版1图5掩膜版2
ICP 刻蚀中的二级台阶刻蚀研究
张宏坤谭晓兰乔宁
（北方工业大学机电工程学院中国北京
100044）
【摘要】主要研究了硬盘磁头滑块二级台阶的刻蚀实验。

首先研究了ICP 刻蚀的刻蚀原理，然后根据二级台阶掩模版的设计要求，设计出掩膜版的图形，并通过ICP 刻蚀机加工出磁头滑块。

结果表明所提出的二级台阶的刻蚀工艺是合理的，且具有普遍性。

【关键词】ICP 刻蚀；二级台阶；掩膜版；磁头滑块
The Research of the Second Step of ICP Etching ZHNG Hong-kun TAN Xiao-lan QIAO Ning
（College of Electromechanical Engineering,North China University of Technogy,Beijing 100044China ）
【Abstract 】M ain research the second step of ICP etching about sliders for hard disk.First research the etching theory of ICP.andthen basis the design demand of the second step mask ，design mask and use ICP etching machine machined sliders for hard disk.The result s indicate that the process are reasonable and universal.
【Key words 】ICP etching ；
The second step ；M ask ；Sliders for hard
disk ○科教前沿○
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科技信息
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2010年第15期（上接第427页）根据新世纪培养人才的发展要求，推进“拓宽口
径、夯实基础、强化应用，激励创新，提高素质，增加选择、分层培养，因材施教”的人才培养战略，有效实现人才培养的“宽口径”和“个性化”，为学生自主发展创造更好的条件。

作为重要食品专业核心实践课的食品工艺实验，需要更好的调整教学思路，适应教学改革需要，具体的说：
3．1强化设计开发型实验的比例。

食品工艺实验要体现以学生为本的思想，必须结合传统型教学和设计开发型教学的各自优势，不断优化教学体制，为学生创造更好的成才途径，为将来走向社会或进一步深造奠定坚实基础。

3．2融入食品安全与质量控制的理念。

当前食品安全是社会大环境的要求，适应这种需求就必须在食品工艺实验中强化食品安全与质
量控制的理念，同时要求学生结合食品质量体系的具体要求，做到专业知识连续化，理解食品安全的重要意义。

3．3教学内容常新，教学方法与时俱进。

当前食品新产品、新工艺层出不穷，因此必须密切关注食品工业发展动态，了解消费者的食品需求信息，不断改进教学内容，优化教学方法，努力培养更多复合型食品专业人才服务社会。

【参考文献】
［1］卢大举.改革食品工艺实验教学培养学生质量控制能力[J].华章,2009(13):91.
［2］刘进杰,方妍煜,张玉香,等.食品工艺学设计性实验教学改革与效果[J].中国教育技术装备,2008,(20):133,142.
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［4］康怀彬,朱文学,侯颖,等.《食品工艺学》实验教学改革与实践[J].中国科技信息,2009(17)．
［5］滕建文,夏宁,黄丽,等.食品工艺学实验教学改革初探[J].广西大学学报：哲学社会科学版,2008,30(z1)．
作者简介：董庆利（1979—）,男，博士，硕士生导师。

※项目资助：上海理工大学医食学院实验教学改革项目
［责任编辑：张慧］
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3.1
掩膜版的制作
掩模版的一般制作方法是利用AutoCAD 等设计软件设计出掩模图案,然后通过曝光、显影、腐蚀等工艺,将图案制作在镀铬玻璃板上。

根据要求，设计的掩膜版如图4、图5所示：
该图为利用AUTOCAD 设计的掩膜版，黑色部分为要刻蚀掉的部分，白色部分为保留的部分。

对于多台阶的掩膜版的设计，必须要有对准标记，便于对准。

对准标记通常情况下为十字型标记，（俗称十字）。

十字的总长度为200微米左右，两次相关的十字条宽分别为30和40微米，两相关十字间距为5微米，此宽度适于在光刻机上进行对准（适用于单面、双面光刻，及键合对准情况）。

十字两端的1微米间距区适于显微镜检查（镜检）。

建议在每张版图中都制作线宽检查标记，俗称胖瘦标记，以便于监测关键线宽。

在单面光刻版图设计中，要考虑到两次相关十字的大小覆盖问题；在双面光刻中不必考虑；在阳极对准键合中，只须考虑玻璃片上的十字标记（如金属电极）不要覆盖硅片上的十字标记，以便于键合后透过玻璃进行的键合偏差检查。

对准标记设计示意图如下：
图6
对准标记尺寸设计示意图
3.2
实验流程
本次刻蚀实验采用的是4英寸的没有SiO 2氧化膜的硅片。

按照所设计的掩模版的形式,设定第一次刻蚀硅时,刻蚀深度应为2.5μm ；第二次刻蚀硅时的深度为0.3μm 。

本次实验的基本流程如图7所示：图7
实验流程图
其中，实验中所用到的胶为BP212正型光刻胶，显影液为丙酮，刻蚀气体选用的是SF 6腐蚀气体。

主要刻蚀参数如下:第一级台阶的曝光时间85s ，显影时间18s ，SF 6通气量为50sccm ，
通气时间为90s 。

第二级台阶的曝光时间60s ，显影时间15s ，SF 6通气量为50sccm ，通气时间为35s 。

射频电源RF1功率为100W ，射频电源RF2功率为300W 。

加工出来的磁头三维形貌如图8：
图8SEM 扫描图
3.3
实验结果分析
对于二级台阶刻蚀，关键在于第二次刻蚀的对准曝光，对准精度差，将会严重影响整个磁头的形状结构和精度。

而对于刻蚀速率的影响，主要取决于射频电源的功率、刻蚀气体的种类及流量。

功率越高，气体流量越高，相应的刻蚀速率也就越快。

4
结论
在现有的实验条件和实验设备下，以加工硬盘磁头为例，提出了关于二级台阶的刻蚀的基本条件和要求，给出了二级台阶掩膜版的制作，利用光刻技术、ICP 刻蚀技术成功加工出符合要求的产品，并总结出影响刻蚀速率的几个关键因素。

本实验所用的刻蚀工艺具有普遍性，同样可以应用于更为复杂的微器件和微结构的加工。

【参考文献】［1］李效白,等.离子体微细加工技术的新进展[J].真空科学与技术，2000,25（3）：179-186.
［2］郑志霞,冯勇建,张春权.ICP 刻蚀技术研究[J].厦门大学学报,2004,43:365-368.［3］谭晓兰，孟永刚，李宁，林晶.磁头滑块的湿法与干法刻蚀实验研究[J].微细加工技术，2007,6：48-51.［4］王喆垚.微系统设计与制造[M ].北京：清华大学出版社，2008年2月第一版.
[责任编辑：曹明明]
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○科教前沿○452。