一种改进的各向异性湿法蚀刻工艺

引言

我们开发了一种改进的各向异性湿法蚀刻工艺，通过在晶片上使用单个蚀刻掩模来制造各种硅微结构，这些微结构具有圆形凹角和尖锐凸角、用于芯片隔离的凹槽、蜿蜒的微流体通道、具有弯曲V形凹槽的台面结构以及具有高度光滑表面光洁度的45个反射镜。在这项工作中，我们使用了一种CMOS兼容的各向异性蚀刻剂，含有四甲基氢氧化铵(TMAH)和少量(0.1% v/v)的非离子表面活性剂(NC-200)，含有100%的聚氧乙烯-烷基-苯基-醚。通过分析(100)硅片在纯的和添加表面活性剂的TMAH中的刻蚀特性，开发了该工艺。

介绍

湿法各向异性蚀刻被广泛用作微机械加工技术，用于生产低成本的微机电系统部件，例如单晶硅晶片中的悬臂梁、隔膜、反射镜和许多其他结构。体微加工制造微机电系统结构的常规设计

硅有锐边凸凹角。然而，从机械工程的角度来看，尖锐的凹角通常被避免，因为当施加载荷时，它们导致应力集中，这可能引发微裂纹。通过将尖锐的凸角设计成圆形，可以降低其应力集中，从而提高机械效率。然而，在常用的纯各向异性蚀刻剂如氢氧化钾水(KOH)、乙二胺邻苯二酚水(EDP或EPW)、氢氧化四甲基铵(TMAH)中制造圆形凹角是一项困难的任务，因为存在严重的底切。与湿法蚀刻相关的另一个问题是，由于在这些拐角处出现快速底切，通过传统的拐角补偿方法用于制造凸拐角的空间结构的程度很大。这种空间要求是一个主要的关注点，特别是对于实现芯片隔离的凹槽和弯曲的V形凹槽，其中可用的空间比拐角补偿几何形状所需的空间少。然而，凸角的底切对于使用磷硅、二氧化硅、氮化硅和其他材料实现微结构是有利的，其中快速的底切速率有利于它们的快速释放。报道了几种离子型和非离子型表面活性剂，以使TMAH溶液中的底切最小化。

掩模设计

任何种类的硅晶片上的微结构的期望形状的可行性通过研究各个晶片上各种形状的掩模图案的蚀刻轮廓来确定。本文研究了硅晶片的微观结构。为了设计用于实现凸角的补偿图案，需要识别底切平面、它们的蚀刻速率和它们的角度。

图1:为实现芯片隔离的凹槽和在TMAH中具有弯曲V形凹槽的台面结构而测试的拐角补偿结构的示意图

实验与讨论

使用电阻率为1-100ω·cm的CZ生长的(100)取向p掺杂硅片。热氧化用于氧化物的形成。氧化的晶片被图案化用标准光刻工艺，随后在缓冲氢氟酸(BHF)中进行氧化物蚀刻。此后，晶片被适当地清洗。就在各向异性蚀刻之前，将晶片浸入5%的氢氟酸溶液中，以确保硅表面上不会留下天然氧化物。这一步之后是在去离子水中彻底冲洗。由聚四氟乙烯制成的圆形容器用于蚀刻实验。它装有回流冷凝器，以保持蚀刻浓度。各向异性蚀刻在60℃下在纯的和添加不同浓度(10、20和25重量%的TMAH)的NC-200 TMAH中进行。表面活性剂的添加浓度为所得蚀刻剂总体积的0.1%(0.1% v/v)。

图3

图4:平均底切比(l/d)的比较

结论

纯的和添加了TMAH的NC-200中测量的eth速率如图2所示。当在TMAH中加入NC-200时，在低浓度(10重量%)下，蚀刻速率降低到相当低的水平，而在高浓度(25重量%)下，蚀刻速率不受显著影响。在纯TMAH中，{100}的平均蚀刻表面粗糙度随着蚀刻剂浓度的降低而增加。如图3所示，在高浓度下蚀刻的表面形态非常光滑，而在低浓度下充满小丘。NC-200的加入显著改善了低浓度下的表面形貌通过防止小丘的形成。高浓度时，影响不明显。

审核编辑：汤梓红