在超臨界二氧化碳中蝕刻氧化硅薄膜

介紹

硅或二氧化硅已被用作犧牲層來制造獨(dú)立式結(jié)構(gòu)，例如微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中的梁、懸臂和隔膜。傳統(tǒng)的含水HF已經(jīng)廣泛用于蝕刻二氧化硅犧牲層，因?yàn)樗杀镜土?。然而，?dāng)具有高縱橫比的結(jié)構(gòu)在含水蝕刻和隨后的沖洗后被干燥時(shí)，由于水溶液的表面張力產(chǎn)生的應(yīng)力，含水HF會(huì)導(dǎo)致自支撐結(jié)構(gòu)彼此粘附。另一方面，使用氣態(tài)HF的二氧化硅蝕刻必須在相對(duì)高的壓力和低溫下進(jìn)行，以獲得高蝕刻速率。在這種條件下，即使是蒸汽狀的HF也能通過水在表面上凝結(jié)而使結(jié)構(gòu)粘在一起[1]。

為了避免獨(dú)立式結(jié)構(gòu)粘在一起，已經(jīng)提出了使用表面張力為零的超臨界CO2的干燥技術(shù)[2]。由于水在CO2中的溶解性差，該技術(shù)需要水/溶劑置換步驟。在含水HF中蝕刻二氧化硅并隨后在水中沖洗后，用溶劑如乙醇或2-丙醇代替水。然后用超臨界CO2代替溶劑。這些水/溶劑置換步驟需要一些時(shí)間和大量的溶劑。因此，需要一種快速蝕刻方法來去除犧牲二氧化硅，而不允許梁結(jié)構(gòu)的中部粘到襯底上。

本文報(bào)道了我們?cè)诔R界CO2中原位刻蝕二氧化硅的工作。因?yàn)榉g刻溶液通常不溶于CO2，所以已經(jīng)研究了多種將氟蝕刻劑溶解在CO2中的共溶劑。

結(jié)果和討論

圖2顯示了在超臨界CO2或液相中用蝕刻劑和甲醇的混合物或蝕刻劑和另一種有機(jī)共溶劑的混合物對(duì)二氧化硅進(jìn)行蝕刻后，二氧化硅膜的蝕刻速率。有機(jī)共溶劑提供了比甲醇在超臨界CO2中顯著更高的蝕刻速率。超臨界相的有機(jī)共溶劑中的蝕刻速率與具有相同濃度氟組分的液相水溶液中的蝕刻速率相當(dāng)。另一方面，蝕刻劑和有機(jī)共溶劑的混合物在液相中不提供高蝕刻速率。

超臨界CO2中氟化物/有機(jī)共溶劑混合物的光譜和超臨界CO2中有機(jī)共溶劑的光譜的差異示于圖3中。液相中氟化物/有機(jī)共溶劑混合物的光譜和液相中有機(jī)共溶劑的光譜的差異光譜顯示在該圖中用于比較。在約1260 cm-1的超臨界CO2中，觀察到氟化物/有機(jī)共溶劑混合物對(duì)HF2-的寬吸收，在該波數(shù)范圍內(nèi)，液相中的氟化物/有機(jī)共溶劑混合物沒有觀察到峰。對(duì)于液相中的氟化物/有機(jī)共溶劑混合物，在1880 cm-1附近觀察到對(duì)應(yīng)于F-的寬吸收，而對(duì)于超臨界CO2中的氟化物/有機(jī)共溶劑混合物，在該波數(shù)范圍內(nèi)沒有觀察到峰。對(duì)于超臨界CO2中的氟化物/有機(jī)共溶劑混合物和液相中的氟化物/有機(jī)共溶劑混合物，在3400 cm-1附近都觀察到對(duì)應(yīng)于未離解的HF的高吸收峰。另一方面，對(duì)于超臨界CO2中的氟化物/甲醇混合物，僅觀察到對(duì)應(yīng)于F-的吸收峰。

液相中氟化物/有機(jī)助溶劑混合物中有機(jī)助溶劑的低介電常數(shù)可能會(huì)阻止F-和HF的反應(yīng)。另一方面，CO2分子和有機(jī)溶劑的相互作用改變了介電常數(shù)[5]，促進(jìn)了超臨界CO2中F-和HF的反應(yīng)。HF2- is的隨后產(chǎn)生可能是在超臨界CO2的共溶劑中獲得較高二氧化硅蝕刻速率的原因。為了驗(yàn)證在超臨界CO2中高速蝕刻二氧化硅的機(jī)理，需要通過使用例如在超臨界CO2中的原位NMR(核磁共振光譜)來進(jìn)一步分析以確定離子種類在高壓下的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

為了提高二氧化硅蝕刻速率，又測(cè)試了七種有機(jī)溶劑。使用八種有機(jī)溶劑處理的二氧化硅的蝕刻速率的比較如圖4所示。蝕刻速率取決于有機(jī)溶劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，通過使用特定的有機(jī)溶劑，可以獲得高達(dá)500納米/分鐘的蝕刻速率。這明顯高于相同濃度的HF水溶液的蝕刻速率。這表明10分鐘內(nèi)可以制備出10微米寬的光束結(jié)構(gòu)，光束和基底之間的間隙以納米計(jì)。

總結(jié)

我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過在超臨界CO2中用共溶劑溶解氟蝕刻劑，可以在超臨界CO2中蝕刻犧牲二氧化硅。通過使用有效的共溶劑，我們?cè)诔R界CO2中獲得了比多晶硅更高的二氧化硅蝕刻速率。

在超臨界CO2中用由氟組分和共溶劑組成的化學(xué)配方原位蝕刻氧化硅具有提高具有高縱橫比結(jié)構(gòu)的MEMS器件的生產(chǎn)率的潛力。

審核編輯：符乾江