Paul Werbaneth, Tegal Corporation, Petaluma, California

電漿蝕刻製程可以適用於滿足製造微機電系統(micro-electromechanical systems，MEMS)元件的挑戰，包括：矽的高深寬比(high aspect ratio)結構、薄的貴重金屬(noble metal)、壓電(piezoelectric)結構以及光學主動化合物半導體元件。這三種蝕刻範例有賴於蝕刻製程空間中不同領域的最佳化，特別是蝕刻化學、離子撞擊(ion bombardment)與溫度的提高及控制。

MEMS和微光機電系統(micro-optical-electromechanical system，MOEMS)形成一種新的基本結構與物理作用。由以快速、堅固、廉價地製造且可靠，MEMS擴展我們操控微小系統的能力，超越我們目前在微電子元件中處理電子訊號的影響力。例如：在壓力、光線、化學靈敏度和振動的領域方面。對於MEMS與MOEMS的製造過程是極為類似的，以重複多次的薄膜沉積，微影和蝕刻的基本步驟來製造一個完整的MEMS元件。
如同驗證MEMS的方式已經固定，在世界上有許多的MEMS代工廠商(foundries)，對一些客戶提供標準製造流程，能夠設計元件並且期待拿到好的產品零件。也有快速成長的新興公司，熱切的提供資本在MEMS上的應用，特別是當他們應用到光纖為主的長途通訊時。有許多新穎的結構和材料使用於MEMS的製造上，導致由標準矽製程模組的體系分成幾個分支出去。
MEMS元件的蝕刻特別有趣，如蝕刻所產生具吸引人的深寬比結構的形成；或創造出會動的壓電結構；或可以生成渠道(channel)，和製程產生頻率超過80GHz的結構。這些MEMS元件的蝕刻應用，在這裏每一種都突顯出現代電漿蝕刻技術的實力。對於矽的深層結構蝕刻，它是控制在蝕刻化學之上，結果產生以高蝕刻速率的非等向性(anisotropic)蝕刻輪廓。蝕刻壓電材料，如鈦酸鉛鋯(lead zirconium titanate，PZT)， 需要獨立調整蝕刻離子撞擊成份。許多MOEMS元件是建構在InP薄膜上，對於這些薄膜的蝕刻，精確控制電漿蝕刻反應器中的晶片溫度可使得InP在可接受的速率下進行，並可得到良好的輪廓與側壁平滑度的控制。

#P#MEMS應用
這裡所列出的部份內容，摘錄自SPIE 2001 International Symposium on Micromachining and Microfabrication的論文，而MEMS的應用有：壓力、溫度、化學和磁場感測器；加速度計(accelerometers)、迴轉儀(gyroscopic)元件；感測器、致動器(actuators)和控制流體的微閥(microvalves)；可變式電容器、可變式誘導器(inductors)、微射頻開關；化學與生物分析微系統；流體混合與傳輸系統；生物/化學反應器；MEMS為主的顯示器系統；光纖零件與開關；光學應用的致動器；和微機械光學平台晶片(bench-on-a-chip)。
同樣，2001年1月在舊金山舉行的Dynamic Silicon Conference中，應用於多重光波網路(multilightwave networks)的MEMS，應用於診斷的MEMS，應用於糖尿病(diabetes)的MEMS，應用於生物醫學分析的MEMS，應用於RF電子的MEMS，應用於DNA分析的微流體和動力驅動MEMS等都是其應用範圍之所在。
上述每一種特定的MEMS應用有其本身的圖案，薄膜和封裝組合，以讓這些元件表現出其被設計好了的功能。以Cr / Au為表面的靜電致動微鏡可藉由氧化的晶片與矽鍵結在一起來形成，接著蝕穿矽而形成鏡子與鏡彈簧結構。固定和可調式的RF電容器可使用高深寬比的矽蝕刻，在矽表面形成過深的凹洞。可調式高頻元件同樣可以在矽或石英上，使用鉑和銥(iridium)電極，以BST介電質來製造。光學零件如Mach-Zehnder開關和調幅器(modulators)，結合具低耦合流失的光學共振器(resonators)和光波導(optical waveguides)，經常以二氧化矽為硬質罩幕(hard mask) ，可藉由蝕刻MOEMS結構中的InP薄膜來製造。
現代電漿蝕刻設備和製程已經從簡陋逐漸發展到目前的狀態，而且蝕刻製程遵循電漿條件和表面反應的精確控制，如此一來最佳化的蝕刻結果可由雜亂的陣列應用中得到。一些可靠的技巧隱藏在電漿蝕刻工程師的口袋裏，就是在電漿反應器內操縱蝕刻化學、離子通量(ion flux)、晶圓表面的能量和蝕刻過程中的基板溫度。對於MEMS元件的這三種電漿蝕刻應用，將在下列對這些三種廣泛的蝕刻原理，針對每一種不同的敘述觀點來討論。對於以化學來最佳化電漿蝕刻，在矽的深蝕刻中控制蝕刻速率和輪廓是有用的；對於以離子撞擊和通量來最佳化電漿蝕刻，在蝕刻如鉑和PZT材料上是有用的；對於InP而言，以提高晶圓溫度的蝕刻製程最佳化，對達成目標而言是必要的。

#P#矽的深蝕刻 ─ 蝕刻化學最佳化
對於MEMS元件中的矽溝槽結構深蝕刻，在可接受的程度下，取決於蝕刻速率，蝕刻輪廓和側壁平滑度之間的關係。在此處，深蝕刻是在矽延中到50~100mm時，產生引人注目的高深寬比尺寸，經常使用在非常具有代表性的MEMS元件。靜電致動微鏡已被引用為深矽蝕刻結構的一個例子，其它還有一些像是微小齒輪(gears)，微馬達和經常看到的微小渦輪(turbines)。
矽在電漿反應器中不是一種難以蝕刻的材料。單晶(和複晶)矽在室溫下會和原子態的氟、氯、溴反應，並形成揮發性的鹵素(halide)化合物。矽與原子態氟反應會自發性地進行典型的「化學」蝕刻。CF4、SF6和其他的氟來源將會快速蝕刻矽，但是具有等向性蝕刻的傾向，使得從原蝕刻罩幕產生底切(undercut)的現象。製程最佳化對任何製程模組而言，一般再獲取最製造成本(COO)，而製造成本對矽的深蝕刻將會隨著晶圓的產能有顯著的變化，也會直接對應在蝕刻速率上(對固定目標的蝕刻深度而言)。以氟系化學蝕刻矽，一般的好處是它的高蝕刻速率，通常大於(有時遠大於)1.0mm / min。然而，假如需要非等向性蝕刻時，就必須控制蝕刻的輪廓。
以氯蝕刻矽是由矽表面飽和氯藉由離子撞擊做輔助。矽與原子態氯的自發蝕刻速率在室溫下幾乎為零。當矽遭到帶能離子撞擊時，蝕刻才能僅在矽膜上進行。因此使用氯電漿蝕刻矽原本就具有非等向性。使用氯雖可輕易地獲得垂直輪廓，但是當與氟電漿(數千A / min vs.數mm / min)比較時，所付出的蝕刻速率代價則較高。
用溴蝕刻矽所產生的溴化物，其揮發度低於用氯蝕刻矽所產生的氯化物。以如Br2和HBr為溴來源對矽的蝕刻速率通常比用氯來得慢，但具有一樣好的非等向性。以溴電漿蝕刻MEMS似乎不比使用氯、氟電漿來得吸引，可能與其低蝕刻速率和蝕刻產物再次沉積對反應器的快速污染有關。
有幾種方式在不需犧牲輪廓控制下，仍保有氟電漿蝕刻速率的優點。至少有三種方法：
(1)在低(致冷的)溫下以氟電漿蝕刻；
(2)以添加其他氣體的氟電漿蝕刻；
(3)將整個蝕刻過程分成許多「小蝕刻」，方法是將矽短暫地暴露於蝕刻電漿中，接著在已蝕刻的側壁上沉積一層防底切的保護膜，兩者交替進行。
電漿反應器中的低溫蝕刻必須考量一個顯著的缺點，就是保持晶圓在-70oC到-150oC與額外的複雜設備成本是值得考慮的。這樣的工作並非不可能，只是令人怯步而已。添加氣體於含氟電漿中同樣可行，雖然當氣體的莫爾(mole)比例增加時，通常會減低矽的蝕刻速率。同樣的，得到添加物的莫爾比例對於符合良好的側壁控制可能難以處理。至少有一個團隊成功地結合致冷溫度和添加氣體於SF6為主的矽蝕刻已被報導。
最受歡迎的深矽蝕刻製程，已由德國Robert Bosch GmbH的研究人員發展出來並且發表專利。他們的想法是把製程分為蝕刻步驟和保護(passivation)步驟，使用氟系化學(例如：在蝕刻步驟使用的SF6而時使用如C4F8的氟碳化物)，沿著完整的100mm矽溝槽蝕刻，具有高蝕刻速率與非等向性的輪廓。使用這種製程所獲得的輪廓通常不比使用氯蝕刻來得平滑，正如圖一和圖二所示。然而，對於MEMS元件深矽蝕刻化學的最佳化，取決於蝕刻速率，蝕刻輪廓和側壁平滑度之間的取捨。
#F#圖一：以氟為主的ICP矽蝕刻
#F#圖二：以氯為主的HR-e矽蝕刻

#p#難以蝕刻的材料－離子撞擊最佳化
鉑、銥、氧化銥、鈦酸鉛鋯、鉭酸鍶鋇(barium strontium tantalate，BST)是高介電質和貴重金屬電極材料之中的幾種，這些材料正如標題所言「難以蝕刻」，是典型的例子。當PZT作為微小移動鏡(感謝PZT的壓電性質)，或當PZT或BST作為可變電容(varactors)或可調式線路元件時，總是會用到貴重金屬。這些介電膜的沉積過程中需要有氧化的環境，意味著這些使用的電極材料能夠阻止氧化(鉑)或能夠形成導電氧化物(銥)。在沉積製程中使用這些材料是一種簡單的解決方法，但是在貴重金屬上定義圖案的困難點是，我們如何蝕刻它們？
一般來說，離子研磨(ion milling)已被用於實驗室中任何已知材料的定義圖案應用。帶能離子(通常是氬)的物理作用能夠移除表面原子，甚至當材料的蒸氣壓小到微不足道時也可被移走。儘管有一些缺點，例如當離子研磨用於定義鉑的圖案時，移除速率低(~400A / min)、產能也低，其趨勢是沿著蝕刻罩幕邊緣產生鉑的再次沉積，移除蝕刻罩幕之後生成遮蔽物(veils)、凸起物(fence)。這些遮蔽物具有導電性，在完成的元件中會導致良率限制的導電缺陷(defects)。
若干用於這些難以蝕刻材料的其他方法，包括：濕蝕刻、化學電漿蝕刻、反應性離子蝕刻與離子束蝕刻。對於鉑和PZT定義圖案的許多蝕刻最佳化表現，已經集中在平衡蝕刻速率，蝕刻輪廓和遮蔽物的形成。這關鍵的發現，使用各種電漿反應器配置，正是在反應性環境如氬、氯系電漿，當鉑和PZT的表面受到能量漸增的離子撞擊時，其蝕刻速率隨著增加。除此之外，遮蔽物形成能夠藉由調整反應(鹵素)成份的莫爾比例來控制，可藉由增加流量或是增加電漿中蝕刻劑(etchant)氣體(Cl2，2Cl)的解離度(dissociation)。
為了產生良好的解離電漿，使用高頻能量源的電漿蝕刻反應器是非常好的。在加速離子朝向需要蝕刻的晶圓表面時，使用低頻能量來源的電漿蝕刻反應器是非常好的，因此提供在離子撞擊能量上的直接控制。當高、低頻能量來源同時被使用時，電漿的反應成份(氣體解離)和物理成份(帶能離子撞擊)能夠獨立控制，大幅地增加蝕刻開發工程師對難蝕刻材料最佳化的能力。
圖三顯示出以兩種實驗因子效應的表面圖─低頻功率和高頻功率，在Tegal