引言

我們開發(fā)了一種改進(jìn)的各向異性濕法蝕刻工藝，通過在晶片上使用單個(gè)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(tái)面結(jié)構(gòu)以及具有高度光滑表面光潔度的45個(gè)反射鏡。在這項(xiàng)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(jī)械加工技術(shù)，用于生產(chǎn)低成本的微機(jī)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(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的常規(guī)設(shè)計(jì)

硅有銳邊凸凹角。然而，從機(jī)械工程的角度來看，尖銳的凹角通常被避免，因?yàn)楫?dāng)施加載荷時(shí)，它們導(dǎo)致應(yīng)力集中，這可能引發(fā)微裂紋。通過將尖銳的凸角設(shè)計(jì)成圓形，可以降低其應(yīng)力集中，從而提高機(jī)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(xiàng)困難的任務(wù)，因?yàn)榇嬖趪?yán)重的底切。與濕法蝕刻相關(guān)的另一個(gè)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(bǔ)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(gè)主要的關(guān)注點(diǎn)，特別是對(duì)于實(shí)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(bǔ)償幾何形狀所需的空間少。然而，凸角的底切對(duì)于使用磷硅、二氧化硅、氮化硅和其他材料實(shí)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(bào)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(jì)

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(gè)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(jì)用于實(shí)現(xiàn)凸角的補(bǔ)償圖案，需要識(shí)別底切平面、它們的蝕刻速率和它們的角度。

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

實(shí)驗(yàn)與討論

使用電阻率為1-100ω·cm的CZ生長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)光刻工藝，隨后在緩沖氫氟酸(BHF)中進(jìn)行氧化物蝕刻。此后，晶片被適當(dāng)?shù)厍逑?。就在各向異性蝕刻之前，將晶片浸入5%的氫氟酸溶液中，以確保硅表面上不會(huì)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(shí)驗(yàn)。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(jìn)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(cè)量的eth速率如圖2所示。當(dāng)在TMAH中加入NC-200時(shí)，在低濃度(10重量%)下，蝕刻速率降低到相當(dāng)?shù)偷乃剑诟邼舛?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(shí)，影響不明顯。

審核編輯：湯梓紅