高速硅濕式各向異性蝕刻技術(shù)在批量微加工中的應(yīng)用

引言

蝕刻是微結(jié)構(gòu)制造中采用的主要工藝之一。它分為兩類：濕法蝕刻和干法蝕刻，濕法蝕刻進(jìn)一步細(xì)分為兩部分，即各向異性和各向同性蝕刻。硅濕法各向異性蝕刻廣泛用于制造微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的硅體微加工和太陽能電池應(yīng)用的表面紋理化。

蝕刻速率受蝕刻劑中的雜質(zhì)（或添加劑）的顯著影響。然而，四甲基氫氧化銨（TMAH）和氫氧化鉀溶液（KOH）最廣泛地用于硅濕體微加工中微結(jié)構(gòu)的形成，兩種蝕刻劑各有利弊。

實(shí)驗(yàn)與討論

圖1：純堿性溶液中的蝕刻機(jī)理

英思特公司研究了堿性溶液中控制蝕刻過程的化學(xué)反應(yīng)，并提出了幾種模型。各向異性蝕刻由兩個(gè)交替反應(yīng)組成，即(i)氧化(ii)蝕刻，其特點(diǎn)是氧化與蝕刻相比非常慢。通常，硅表面原子被氫封端。氫氧根(OH-)離子和水(H2O)分子是堿性溶液（KOH、TMAH）中的化學(xué)活性物質(zhì)。圖1顯示了純堿性溶液中的蝕刻機(jī)制。氧化步驟可以通過化學(xué)氧化和/或電化學(xué)氧化發(fā)生。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

在純堿性溶液中，蝕刻表面形貌主要取決于蝕刻劑濃度和蝕刻溫度。在KOH溶液的情況下，當(dāng)濃度稀釋到小于8M（30wt%）時(shí)，微金字塔開始出現(xiàn)在Si{100}上，如圖2所示，已經(jīng)提出了各種模型來解釋蝕刻過程中形成小丘的主要原因。

圖2：在70℃的4.0 M氫氧化鉀中蝕刻30 min后，Si{100}表面微金字塔的SEM圖像

為了研究硅（Si）{100}表面的底切，通常使用由<110>方向形成的矩形掩模圖案，如圖3中示意性所示。底切的增加表明，當(dāng)將羥胺（NH2OH）添加到TMAH/KOH中時(shí)，高折射率平面的蝕刻速率也顯著提高。底切的增量是純TMAH/KOH的三倍以上，這非常有利于從基板上快速釋放結(jié)構(gòu)，從而最大限度地減少工業(yè)制造時(shí)間。

圖3：矩形掩模圖案的凸角處的下切示意圖

結(jié)論

蝕刻劑濃度顯著影響蝕刻速率。有兩種方法可以達(dá)到蝕刻速率的局部最大值，各有利弊。第一種方法是使用稀釋的氫氧化鉀（KOH）或四甲基氫氧化銨（TMAH）溶液蝕刻硅（Si）。優(yōu)點(diǎn)是易于應(yīng)用，缺點(diǎn)是蝕刻速率適度增加，微金字塔的出現(xiàn)不可避免地導(dǎo)致蝕刻表面粗糙度。第二種方法是使用50 wt% KOH 的高濃度溶液在接近沸點(diǎn)（通常為145℃）下進(jìn)行蝕刻。優(yōu)點(diǎn)是可用的蝕刻速率約為10μ/min，缺點(diǎn)是Si和氧化物掩模之間的蝕刻選擇性較低，需要替代掩模材料。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

蝕刻特性受不同種類的添加劑的強(qiáng)烈影響。英思特已經(jīng)研究了各種添加劑來提高硅的蝕刻速率。在KOH溶液中添加氧化還原體系和絡(luò)合劑可有效提高蝕刻速率，但這些添加劑未被其他研究人員進(jìn)一步研究，因此在濕法各向異性蝕刻中并不常見。

江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司主要從事濕法制程設(shè)備，晶圓清潔設(shè)備，RCA清洗機(jī)，KOH腐殖清洗機(jī)等設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)。

審核編輯黃宇