高速硅湿式各向异性蚀刻技术在批量微加工中的应用

引言

蚀刻是微结构制造中采用的主要工艺之一。它分为两类：湿法蚀刻和干法蚀刻，湿法蚀刻进一步细分为两部分，即各向异性和各向同性蚀刻。硅湿法各向异性蚀刻广泛用于制造微机电系统(MEMS)的硅体微加工和太阳能电池应用的表面纹理化。

蚀刻速率受蚀刻剂中的杂质（或添加剂）的显着影响。然而，四甲基氢氧化铵（TMAH）和氢氧化钾溶液（KOH）最广泛地用于硅湿体微加工中微结构的形成，两种蚀刻剂各有利弊。

实验与讨论

图1：纯碱性溶液中的蚀刻机理

英思特公司研究了碱性溶液中控制蚀刻过程的化学反应，并提出了几种模型。各向异性蚀刻由两个交替反应组成，即(i)氧化(ii)蚀刻，其特点是氧化与蚀刻相比非常慢。通常，硅表面原子被氢封端。氢氧根(OH-)离子和水(H2O)分子是碱性溶液（KOH、TMAH）中的化学活性物质。图1显示了纯碱性溶液中的蚀刻机制。氧化步骤可以通过化学氧化和/或电化学氧化发生。（江苏英思特半导体科技有限公司）

在纯碱性溶液中，蚀刻表面形貌主要取决于蚀刻剂浓度和蚀刻温度。在KOH溶液的情况下，当浓度稀释到小于8M（30wt%）时，微金字塔开始出现在Si{100}上，如图2所示，已经提出了各种模型来解释蚀刻过程中形成小丘的主要原因。

图2：在70℃的4.0 M氢氧化钾中蚀刻30 min后，Si{100}表面微金字塔的SEM图像

为了研究硅（Si）{100}表面的底切，通常使用由<110>方向形成的矩形掩模图案，如图3中示意性所示。底切的增加表明，当将羟胺（NH2OH）添加到TMAH/KOH中时，高折射率平面的蚀刻速率也显着提高。底切的增量是纯TMAH/KOH的三倍以上，这非常有利于从基板上快速释放结构，从而最大限度地减少工业制造时间。

图3：矩形掩模图案的凸角处的下切示意图

结论

蚀刻剂浓度显着影响蚀刻速率。有两种方法可以达到蚀刻速率的局部最大值，各有利弊。第一种方法是使用稀释的氢氧化钾（KOH）或四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液蚀刻硅（Si）。优点是易于应用，缺点是蚀刻速率适度增加，微金字塔的出现不可避免地导致蚀刻表面粗糙度。第二种方法是使用50 wt% KOH 的高浓度溶液在接近沸点（通常为145℃）下进行蚀刻。优点是可用的蚀刻速率约为10μ/min，缺点是Si和氧化物掩模之间的蚀刻选择性较低，需要替代掩模材料。（江苏英思特半导体科技有限公司）

蚀刻特性受不同种类的添加剂的强烈影响。英思特已经研究了各种添加剂来提高硅的蚀刻速率。在KOH溶液中添加氧化还原体系和络合剂可有效提高蚀刻速率，但这些添加剂未被其他研究人员进一步研究，因此在湿法各向异性蚀刻中并不常见。

江苏英思特半导体科技有限公司主要从事湿法制程设备，晶圆清洁设备，RCA清洗机，KOH腐殖清洗机等设备的设计、生产和维护。

审核编辑黄宇