氫fu酸氣相刻蝕機（VPE）系統(tǒng)是一種潔凈室微細加工設(shè)備。氫fu酸蒸汽通過對二氧化硅層進行熱控制蝕刻，實現(xiàn)了MEMS的無粘滯刻蝕。 我們提供一系列氫fu酸（HF）氣相蝕刻（VPE）產(chǎn)品。HF VPE，簡稱VPE，基于氫fu酸的化學性質(zhì)，選擇性地蝕刻二氧化硅（SiO2），而硅（Si）保持完整。標準VPE可用于不同直徑：100毫米、150毫米和200毫米晶圓。

VPE由反應(yīng)室和蓋子組成。加熱元件集成在蓋子中。它控制待蝕刻基板的溫度。晶片夾緊可以通過兩種方式實現(xiàn)：晶片可以通過使用夾緊環(huán)進行機械夾緊。擰緊是從設(shè)備的背面進行的，該背面永遠不會與氫fu酸（HF）蒸汽接觸。這3個螺母很容易用防護手套處理。另一種選擇是靜電夾緊。單個芯片（長度超過10毫米）以及晶片都可以夾在加熱元件上。晶片的背面受到保護，免受蝕刻。

將液態(tài)HF填充到反應(yīng)室中。反應(yīng)室用蓋子封閉。HF蒸汽在室溫下產(chǎn)生，蝕刻過程自發(fā)開始。蝕刻速率由晶片溫度控制，晶片溫度可在35°C至60°C之間調(diào)節(jié)。

加工后，酸可以儲存在儲器中，以便在可密封的容器中重復使用。液體轉(zhuǎn)移只需用手柄降低連通的儲液器即可完成。由于重力作用，酸流入儲液罐，可以通過兩個閥門關(guān)閉。通過打開閥門并提起手柄來重新填充反應(yīng)室。酸流入反應(yīng)室。酸可以重復用于多次蝕刻，直到必須更換為止。VPE系統(tǒng)占地面積小，可以很容易地集成到現(xiàn)有的流箱中。

VPE有各種尺寸和一系列可選配件可供選擇。在這里，我們展示了電子卡盤以及機械芯片夾緊解決方案（?150 mm）。

溫控反應(yīng)室（TRC）

二氧化硅的蝕刻速率隨反應(yīng)室中液體HF的溫度略有變化。HF的溫度取決于潔凈室的環(huán)境溫度。此外，HF在長時間蝕刻過程中會加熱，導致晶片之間的蝕刻速率增加，直到系統(tǒng)穩(wěn)定。

為了穩(wěn)定蝕刻速率，我們有一個帶有溫度控制液體HF的反應(yīng)室。HF的溫度可以通過額外的控制器進行調(diào)節(jié)。將HF酸加熱到閾值溫度以上可以在蝕刻過程中保持溫度穩(wěn)定。

氫fu酸氣相刻蝕機技術(shù)介紹

Holmes&Snell于1966年進行了氣相蝕刻實驗。他們觀察到，即使晶片不在蝕刻浴中，但接近蝕刻浴，晶片上的二氧化硅也會以相當?shù)奈g刻速率被蝕刻。Helms&Deal確定，水的作用是為表面上的HF提供冷凝溶劑介質(zhì)。Offenberg等人提出了一種兩步反應(yīng)，其中首先通過吸附水（H2O）形成硅烷醇基團來打開氧化物表面。隨后，硅烷醇基團被HF攻擊：

SiO2 + 2 H2O → Si(OH)4

Si(OH)4 + 4 HF → SiF4 + 4 H2O

該化學方程式表明，水既是蝕刻過程的引發(fā)劑，也是反應(yīng)物。這一事實表明，蝕刻過程可以進行溫度控制，以保持啟動過程所需的水量和反應(yīng)物水量的平衡。在我們的氣相蝕刻機中，這種平衡是通過加熱晶片來實現(xiàn)的。晶片上的水膜在中等溫度下蒸發(fā)。蝕刻速率隨著溫度的升高而降低，在50°C以上的溫度下停止。在約5µm/h的蝕刻速率下實現(xiàn)了無刺激的MEMS釋放。

MEMS粘滯

二氧化硅通常用作微機械結(jié)構(gòu)的犧牲層。例如，絕緣體上硅（SOI）晶片上的深反應(yīng)離子蝕刻（DRIE）器件通常在液態(tài)氫fu酸（HF）中釋放。在去離子水中沖洗晶片后，水的表面張力會破壞釋放的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)相互粘附。

決粘滯問題的方法：使用離子型VPE的HF蒸汽在HF蒸汽中蝕刻二氧化硅是一個準干法工藝。由于HF蒸氣氣氛中的濕度，晶片上存在非常薄的水膜。HF被吸收并蝕刻二氧化硅（SiO2）。在反應(yīng)過程中，產(chǎn)生硅烷和水。硅烷以氣相形式逸出。有趣的是，在這個反應(yīng)中，水充當引發(fā)劑，并由過程本身產(chǎn)生。在加熱基板時，可以通過控制表面上的水量來調(diào)節(jié)蝕刻速率。在4-6μm/hr的蝕刻速率下，大多數(shù)結(jié)構(gòu)可以釋放而不會粘附。蝕刻過程和均勻性如下圖所示。

應(yīng)用：

MEMS的無粘滯刻蝕

Dicing-free release of structures on SOI substrates

結(jié)構(gòu)減薄

蝕刻速率可從0調(diào)節(jié)到約30μm/h

單面SiO2蝕刻（工藝過程中保護背面）