一種改進的各向異性濕法蝕刻工藝

引言

我們開發(fā)了一種改進的各向異性濕法蝕刻工藝，通過在晶片上使用單個蝕刻掩模來制造各種硅微結(jié)構(gòu)，這些微結(jié)構(gòu)具有圓形凹角和尖銳凸角、用于芯片隔離的凹槽、蜿蜒的微流體通道、具有彎曲V形凹槽的臺面結(jié)構(gòu)以及具有高度光滑表面光潔度的45個反射鏡。在這項工作中，我們使用了一種CMOS兼容的各向異性蝕刻劑，含有四甲基氫氧化銨(TMAH)和少量(0.1% v/v)的非離子表面活性劑(NC-200)，含有100%的聚氧乙烯-烷基-苯基-醚。通過分析(100)硅片在純的和添加表面活性劑的TMAH中的刻蝕特性，開發(fā)了該工藝。

介紹

濕法各向異性蝕刻被廣泛用作微機械加工技術(shù)，用于生產(chǎn)低成本的微機電系統(tǒng)部件，例如單晶硅晶片中的懸臂梁、隔膜、反射鏡和許多其他結(jié)構(gòu)。體微加工制造微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的常規(guī)設(shè)計

硅有銳邊凸凹角。然而，從機械工程的角度來看，尖銳的凹角通常被避免，因為當施加載荷時，它們導致應力集中，這可能引發(fā)微裂紋。通過將尖銳的凸角設(shè)計成圓形，可以降低其應力集中，從而提高機械效率。然而，在常用的純各向異性蝕刻劑如氫氧化鉀水(KOH)、乙二胺鄰苯二酚水(EDP或EPW)、氫氧化四甲基銨(TMAH)中制造圓形凹角是一項困難的任務，因為存在嚴重的底切。與濕法蝕刻相關(guān)的另一個問題是，由于在這些拐角處出現(xiàn)快速底切，通過傳統(tǒng)的拐角補償方法用于制造凸拐角的空間結(jié)構(gòu)的程度很大。這種空間要求是一個主要的關(guān)注點，特別是對于實現(xiàn)芯片隔離的凹槽和彎曲的V形凹槽，其中可用的空間比拐角補償幾何形狀所需的空間少。然而，凸角的底切對于使用磷硅、二氧化硅、氮化硅和其他材料實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)是有利的，其中快速的底切速率有利于它們的快速釋放。報道了幾種離子型和非離子型表面活性劑，以使TMAH溶液中的底切最小化。

掩模設(shè)計

任何種類的硅晶片上的微結(jié)構(gòu)的期望形狀的可行性通過研究各個晶片上各種形狀的掩模圖案的蝕刻輪廓來確定。本文研究了硅晶片的微觀結(jié)構(gòu)。為了設(shè)計用于實現(xiàn)凸角的補償圖案，需要識別底切平面、它們的蝕刻速率和它們的角度。

圖1:為實現(xiàn)芯片隔離的凹槽和在TMAH中具有彎曲V形凹槽的臺面結(jié)構(gòu)而測試的拐角補償結(jié)構(gòu)的示意圖

實驗與討論

使用電阻率為1-100ω·cm的CZ生長的(100)取向p摻雜硅片。熱氧化用于氧化物的形成。氧化的晶片被圖案化用標準光刻工藝，隨后在緩沖氫氟酸(BHF)中進行氧化物蝕刻。此后，晶片被適當?shù)厍逑础＞驮诟飨虍愋晕g刻之前，將晶片浸入5%的氫氟酸溶液中，以確保硅表面上不會留下天然氧化物。這一步之后是在去離子水中徹底沖洗。由聚四氟乙烯制成的圓形容器用于蝕刻實驗。它裝有回流冷凝器，以保持蝕刻濃度。各向異性蝕刻在60℃下在純的和添加不同濃度(10、20和25重量%的TMAH)的NC-200 TMAH中進行。表面活性劑的添加濃度為所得蝕刻劑總體積的0.1%(0.1% v/v)。

圖3

圖4:平均底切比(l/d)的比較

結(jié)論

純的和添加了TMAH的NC-200中測量的eth速率如圖2所示。當在TMAH中加入NC-200時，在低濃度(10重量%)下，蝕刻速率降低到相當?shù)偷乃?，而在高濃?25重量%)下，蝕刻速率不受顯著影響。在純TMAH中，{100}的平均蝕刻表面粗糙度隨著蝕刻劑濃度的降低而增加。如圖3所示，在高濃度下蝕刻的表面形態(tài)非常光滑，而在低濃度下充滿小丘。NC-200的加入顯著改善了低濃度下的表面形貌通過防止小丘的形成。高濃度時，影響不明顯。

審核編輯：湯梓紅