台阶仪在硅槽刻蚀速率及片内均匀性测试中的应用

在MEMS压力传感器中，应力敏感薄膜的制备精度直接影响器件性能。该薄膜通常通过湿法硅深槽刻蚀工艺实现，而刻蚀深度及均匀性决定了薄膜厚度的可控性。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

本研究选用四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液作为刻蚀液，原因在于其高稳定性、良好的有机溶解性以及不含金属离子等优点。实验中采用厚度400 μm、N型<100>晶向的硅片，以及浓度为25%的TMAH溶液，通过台阶仪和扫描电子显微镜对刻蚀结果进行表征。

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刻蚀角度与晶向分析

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TMAH刻蚀的硅槽结构

单晶硅在碱性刻蚀液中呈现各向异性，这源于不同晶面原子排列密度的差异。<111>面的原子密度远高于<100>面，且水分子易在<111>面形成钝化层，导致该晶向刻蚀速率最慢。本研究选用<100>晶向硅片，使刻蚀窗口的两邻边分别平行于<110>和<110>方向，从而获得侧壁为<111>面、底面为<100>面的杯状硅槽，两者夹角为53.56°。

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温度对刻蚀速率的影响

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温度-时间-刻蚀速率折线图

温度是影响刻蚀速率的关键因素。研究发现，刻蚀初期（前1小时）速率较慢，这是因为硅片表面的本征氧化层（SiO₂）与TMAH溶液反应缓慢。待氧化层完全去除后，速率迅速上升并保持稳定约2~12小时。温度每升高10℃，刻蚀速率约增长0.5~1倍：60℃时为6.7~6.8 μm/h，70℃升至15~16 μm/h，80℃达19~22 μm/h。90℃时前7小时速率稳定在26~27 μm/h，但此后因溶液挥发加速而快速下降。此外，高温会放大不同晶向的刻蚀速率差异，导致硅槽结构变形，因此需合理选择刻蚀温度。

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温度对刻蚀均匀性与表面形貌的影响

硅槽刻蚀表面形貌

表面形貌随温度变化显著。60℃时因速率过慢，硅槽底部出现大量不规则毛糙凹坑和细小硅槽刻蚀表面形貌方形坑。70℃时形貌明显改善，凹坑减少，方形坑几乎消失。80℃时形貌最佳且略有提升。90℃时形貌严重恶化，出现密集的圆形和方形凹坑，原因是高温放大了硅片表面缺陷。因此，70~80℃是适宜的刻蚀温度区间。

水浴处理前后硅片

硅槽刻蚀深度

刻蚀过程中，TMAH与硅反应生成的硅酸盐附着物会在圆片表面形成白雾状沾污，影响约20%的芯片面积。采用定期水浴浸泡处理可有效去除这些附着物，使硅片表面恢复洁净。

刻蚀均匀性分布

薄膜厚度均匀性是关键指标，计算公式为 U=(hmax−hmin)/(2have)×100%。在80℃条件下，对400 μm厚硅片刻蚀380 μm深度，单槽内均匀性为0.039%，均方根差0.122。片内测试选取150个硅槽，深度集中在379.4~380.6 μm之间，仅有11个点超出（380±0.5）μm的标准，合格率达92.67%。刻蚀后表面、侧壁及槽底平整，满足MEMS器件对应力敏感薄膜的均匀性要求。

本研究采用25% TMAH溶液，在60~90℃范围内进行硅深槽刻蚀实验。结果表明，80℃时硅槽形貌和均匀性最佳，片内合格率达92.67%，实现了纳米级的表面控制，能够满足当前MEMS压力传感器中应力敏感薄膜的制备要求。

Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪

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Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量

Flexfilm费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量，保证材料质量、提高生产效率。

原文参考：《四甲基氢氧化铵溶液温度对硅槽刻蚀的研究》

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