當(dāng)前MEMS壓力傳感器在汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，其中應(yīng)力敏感薄膜的厚度是影響傳感器性能的關(guān)鍵一，因此刻蝕深度合格且均勻性良好的薄膜至關(guān)重要。費(fèi)曼儀器作為薄膜測(cè)量技術(shù)革新者，致力于為全球工業(yè)智造提供精準(zhǔn)測(cè)量解決方案。Flexfilm探針式臺(tái)階儀進(jìn)行刻蝕深度測(cè)試，進(jìn)行表面粗糙度、表面形貌及均勻性的調(diào)控，直接支撐刻蝕深度與均勻性的精準(zhǔn)評(píng)估。本研究聚焦四甲基氫氧化銨（TMAH）溶液對(duì)硅片刻蝕角度、刻蝕溫度對(duì)硅深槽速率、硅深槽均勻性的影響，并創(chuàng)新性地通過(guò)水浴處理工藝改善表面形貌，準(zhǔn)確控制應(yīng)力薄膜的厚度。

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實(shí)驗(yàn)方法

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硅片使用厚度400 μm，N型<100>晶向，電阻率為1–10 Ω·cm的雙拋面薄片。TMAH溶液為25%正膠顯影液。使用臺(tái)階儀進(jìn)行刻蝕深度測(cè)試，掃描電子顯微鏡進(jìn)行硅槽平面和剖面形貌測(cè)試。

TMAH刻蝕的硅槽結(jié)構(gòu)

本文選擇<100>晶向硅片，預(yù)留長(zhǎng)方形刻蝕窗口的兩鄰邊分別平行于< -110 >和< 110 > 晶向，得到側(cè)壁為<111>面．底面為<100>面，夾角等于53.56°的杯狀硅槽結(jié)構(gòu)。

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臺(tái)階儀量化刻蝕深度

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溫度-時(shí)間-刻蝕速率折線圖

濕法刻蝕硅深槽的速率受刻蝕溫度、刻蝕液濃度、刻蝕液循環(huán)速度等較多因素影響，其中刻蝕溫度對(duì)速率影響最大，本文分析了在 60、70、80、90 ℃條件下的刻蝕速率。

通過(guò)臺(tái)階儀對(duì)刻蝕后的硅片深度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TMAH溶液刻蝕溫度每上升10 ℃，硅槽刻蝕速率大約增長(zhǎng) 0.5~1 倍：

60 ℃時(shí)刻蝕速率較慢，速率穩(wěn)定在 6.7~6.8 μm/h；

70、80 ℃時(shí)，刻蝕速率逐步穩(wěn)定至 15~16 μm/h、19~22 μm/h；

在作業(yè)溫度為 90 ℃，由于高作業(yè)溫度導(dǎo)致的高刻蝕速率，能夠迅速地完成表面本征氧化層刻蝕，因此其 1~7 h 刻蝕速率穩(wěn)定在 26~27 μm/h，隨后因高溫加速刻蝕液揮發(fā)，造成刻蝕速率快速下降。

臺(tái)階儀量化不同方向的刻蝕深度

各向異性分析表明，80°C時(shí)縱向刻蝕深度200.15 μm，橫向134.42 μm，保障53.56°側(cè)壁角度。

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臺(tái)階儀驗(yàn)證均勻性優(yōu)化

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刻蝕溫度對(duì)硅深槽形貌也有很大影響，此濕法硅槽刻蝕溫度設(shè)定在70~80 ℃最為適宜。

薄膜厚度均勻性是刻蝕硅深槽的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，分為單槽內(nèi)厚度均勻性和片內(nèi)厚度均勻性，其均勻性計(jì)算公式為：

其中 U 為薄膜厚度均勻性，hmax為刻蝕后剩余薄膜厚度最大值，hmin為刻蝕后剩余薄膜厚度最小值，have為刻蝕后剩余薄膜厚度均值。

臺(tái)階儀驗(yàn)證刻蝕均勻性分布

在80 °C條件下，臺(tái)階儀測(cè)量關(guān)鍵均勻性參數(shù)：

單槽均勻性：刻蝕深度380.13–380.33 μm（目標(biāo)380.0μm），計(jì)算得U = 0.039%；

片內(nèi)合格率：150點(diǎn)位中92.67%符合標(biāo)準(zhǔn)（379.4–380.6 μm），僅11點(diǎn)超差；

表面形貌支撐：SEM顯示80 °C時(shí)槽底無(wú)凹坑（對(duì)比90 °C的密集缺陷），與臺(tái)階儀的低粗糙度數(shù)據(jù)一致（均方根差0.122）。

本文用 25%濃度的 TMAH 溶液刻蝕硅深槽結(jié)構(gòu)，從晶向角度分析了硅深槽刻蝕的原理，得出刻蝕角度為53.36°的結(jié)論，并在 60、70、80、90 ℃作業(yè)溫度條件下進(jìn)行了刻蝕形貌拉偏試驗(yàn)，通過(guò)臺(tái)階儀深度測(cè)試等方式進(jìn)行了刻蝕結(jié)果對(duì)比，得出在80 ℃的作業(yè)條件下，有著良好形貌和均勻性，單片片內(nèi)達(dá)到92.67%的高合格率，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行納米級(jí)控制，較好的滿足了當(dāng)前行業(yè)對(duì)MEMS器件中應(yīng)力敏感薄膜的要求。

Flexfilm探針式臺(tái)階儀

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在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺(tái)階高度、膜厚的準(zhǔn)確測(cè)量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺(tái)階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)各種薄膜臺(tái)階參數(shù)的精確、快速測(cè)定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級(jí)分辨率，臺(tái)階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)
• 超微力恒力傳感器保證無(wú)接觸損傷精準(zhǔn)測(cè)量

費(fèi)曼儀器的產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于MEMS器件領(lǐng)域，精準(zhǔn)控制納米至微米級(jí)薄膜的均勻性，Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以精準(zhǔn)量化TMAH溫度對(duì)硅槽刻蝕的調(diào)控作用，支撐了高平整度應(yīng)力敏感薄膜的制備，滿足MEMS傳感器對(duì)刻蝕深度的嚴(yán)苛要求。

原文參考：《四甲基氫氧化銨溶液溫度對(duì)硅槽刻蝕的研究》

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