湿法蚀刻工艺的作用：可有效去除金属氧化物

摘要

最近从一家工业薄膜制造商收集的数据表明，近 8% 的设备由于金属过多或设备表面上不需要的金属而被拒绝。实验和分析表明，这些缺陷中几乎有一半是由于在整个上游工艺的加热环境中形成在导电镍表面顶部的氧化镍未完全去除造成的。这项研究对这些多余金属缺陷的成分进行了分类和确定，评估了推荐的去除氧化镍的湿蚀刻方法，最后提出了一种湿蚀刻工艺，该工艺将快速去除缺陷，同时继续保持所需的半各向异性蚀刻轮廓，这是大多数金属缺陷的特征。湿浸蚀刻工艺。结果证明，快速暴露于稀 (40%) 硝酸，然后立即浸入清洁剂、专有镍蚀刻剂和钛钨蚀刻剂中，可去除所有氧化镍缺陷。实施后，该方法有可能将多余金属造成的废料减少 3%，并将整体蚀刻工艺时间减少 25%。此外，还开发了一种工艺来完全蚀刻具有高缺陷密度的图案化基板，并在原始基板上对其进行返工。

介绍

薄膜器件充当小规模电路，在陶瓷表面制造，布线以特定图案“印刷”到表面上。设备是使用一系列在机械柔性压电陶瓷上执行的增材和减材工艺制造的。在应用过程中，电流平稳地通过这些金属表面，只有在金属通路畅通的情况下才有可能。表面上发现的任何放错位置的金属或污染物都会减少或阻止电流通过电路。因此，高质量的设备不会包含任何表面或材料缺陷。该研究确定并消除了降低薄膜器件制造良率的重复发生的表面和材料缺陷的关键因素。

动机

目前，有 16.2% 的器件因过多的金属缺陷、图案中的孔洞或空隙或陶瓷材料中的裂纹和断裂而被拒绝。每丢失一个设备都会导致材料、人工时间和成本的浪费，而产量损失的任何减少都将对应于公司收入的显着增加。该良率改进计划的目标是消除很大比例的过量金属、空隙、破损缺陷。在图 1 中提供的良率损失分布中，器件根据最明显的缺陷进行分类。此外，历史数据表明，只有不到 15% 的被拒绝设备包含多个缺陷，因此该分布是所有缺陷频率的准确表示。

 

目标

该项目的主要目标是识别和消除对产量损失有重大影响的缺陷原因，并提高制造产量。为了实现这一改进，该项目分为三个独立的目标，每个目标都针对导致设备缺陷的主要原因。这些目标是：

1. 消除因金属和氧化物去除不完全而导致的多余金属缺陷

2. 消除由于光刻胶涂层缺陷导致的多余金属缺陷和图案空隙

3. 消除极化过程中造成的基板破损

概览

锆钛酸铅 (PZT) 薄膜器件的制造过程是通过在基板或陶瓷晶片上涂覆两个金属层来启动的。首先，在整个表面上沉积一层钛钨 (WTi) 阻挡层，以促进其与导电金属层的粘附。然后在基板上溅射一层镍 (Ni)，该镍 (Ni) 层将通过器件传输电流。

标准程序

在蚀刻之前，将基材浸入温和的清洁浴中，该浴结合了焦亚硫酸钠、次氮基三乙酸三钠、烷基芳香盐和阴离子表面活性剂作为其活性成分。这种清洁剂旨在去除残留在表面上的天然氧化物和颗粒或油。然后将基材放入溢流槽中以冲洗掉洗涤剂残留物。

镍蚀刻：

第一个蚀刻步骤仅以每秒 0.015 微米的蚀刻速率去除纯 Ni 层。这是通过稀释硫酸 (H2SO4) 和磷酸 (H3PO4) 的加热浴来溶解金属化表面来实现的。蚀刻速率由温度和旋转搅拌控制，两者都使用配备磁力搅拌系统的 Cole Parmer® Stabletemp 热板在浴槽内控制。蚀刻操作员还将升高和降低基板船，以实现垂直搅拌和向每个基板表面提供足够的新鲜化学品。

钛钨蚀刻：

第二个蚀刻步骤旨在以每秒 0.0004 微米的速率去除与 PZT 表面直接接触的 WTi 粘附层。必须注意的是，由于 PZT 衬底的表面粗糙度，工艺蚀刻速率将比钛钨的任何预测或理论蚀刻速率慢。与镍蚀刻步骤一样，控制温度和搅拌以保持准确和可重复的蚀刻速率。

湿蚀刻

在实践中，湿蚀刻是通过三个连续步骤实现的。

1. 反应物向金属表面的传输

2. 表面反应

蚀刻前的表面状况

蚀刻选择性

选择性蚀刻是一种蚀刻工艺，其中一种材料被快速蚀刻，而另一种材料被蚀刻得非常缓慢或根本不蚀刻。在理想的蚀刻工艺中，每种蚀刻剂只会与一个表面层发生反应。但是，已知许多蚀刻剂会与几层反应，但或多或少会选择性地与不同材料发生反应。为了实现高蚀刻选择性，必须选择不会侵蚀下金属层或基板表面的蚀刻剂。众所周知，湿法蚀刻工艺对金属层具有高度选择性，因为它能够预测和控制将在基材浸入时发生的表面反应。

蚀刻速率均匀性

位于基板任何部分的缺陷都可能导致一个或多个设备被拒绝。因此，蚀刻速率必须在整个衬底上、从衬底到衬底、在工作指令之间并且与特征尺寸或图案密度无关。蚀刻速率的均匀性可以用 (2) 来估计，其中 100% 的蚀刻速率均匀性表明蚀刻速率与基板上的位置或化学稀释度无关。0% 蚀刻速率均匀性可能表示蚀刻工艺未向整个基板提供足够的新鲜化学品或蚀刻剂内反应产物的浓度太高。需要 100% 的蚀刻速率均匀性。

氧化镍

氧化镍 (NiO) 通常在纯镍表面形成，长时间暴露在大气或水溶液中。然而，除了作为天然氧化物的正常表面钝化之外，它在工业中没有任何用处。因此，NiO 通常被认为是器件制造中的污染物，应在蚀刻前去除。

审核编辑：符乾江