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标  题: TMAH单晶硅腐蚀特性研究
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Jun 27 19:07:37 2004), 转信

TMAH单晶硅腐蚀特性研究 
邓俊泳1，冯勇建2 
（1.厦门大学机电工程系，福建 厦门 361005；2.厦门大学萨本栋微机电研究中心，福建 厦门 361005） 
摘要：TMAH是一种具有优良的腐蚀性能的各向民性腐蚀剂，选择性好，无毒且不污染环境，最重要的是TMAH与CMOS工艺相兼容，符合SOC的发展趋势。TMAH正逐渐替代KOH和其他腐蚀液，成为实现MEMS工艺中微三维结构的主要腐蚀剂。本文着重介绍了TMAH的特性、工艺条件及应用。 
关键词：四甲基氢氧化氨；各向异性腐蚀；微机电系统

中图分类号：TN405 文献标识码；A文章编号：1671-4776（2003）12-0032-03


1引言

MEMS是一个多学科、多领域交叉的新兴学科，主要研究传感器、执行机构及微小机械结构。其工艺由IC工艺发展而来，主要包括清洗、氧化、扩散、光刻、腐蚀、气相沉积、封装等。与IC工艺不同的是，MEMS工艺突破了平面工艺的局限，可实现各种微机械结构。

微三维结构是MEMS中一个最重要的分支，主要有悬臂梁、硅桥、微流体通道、腔体等。微三维结构的实现与各向异性腐蚀密切相关。各向异性腐蚀是MEMS中的一个极其重要的工艺，是指在特定的腐蚀液中，硅在某些晶向上的腐蚀速率很大；相比之下，其他晶向则要缓慢得多，甚至可以认为不腐蚀。根据这种特性，选择适当的工艺流程，可以加工出所需的各种各样的微结构。目前最常用的各向异性腐蚀剂是KOH，但随着MEMS逐步向SOC发展（SOC为系统芯片，即将CMOS电路和微机械结构集成在同一块芯片上，这样将大大提高系统的精度和稳定性），KOH已经暴露出一些致命的不足，如溶液中含金属离子，与CMOS工艺兼容性差等。TMAH在IC工业中是用于VLSI（超大规模集成电路）的腐蚀工艺的，因其优良的性能，正逐渐地进入MEMS工艺中取代KOH，成为微三维结构主要实现方法的腐蚀剂。

2TMAH的性质

2.1TMAH的主要物理性质

TMAH（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙ１ ａｍｍｏｎｉｕｍ ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）全称为四甲基氢氧化氨，分子式为（CH3）４NOH，为无色结晶（常含3，5等结晶水），极易吸潮，在空气中能迅速吸收二氧化碳，130 ℃时分解为甲醇和三甲胺。工艺中通常使用的是10％和25％的水溶液，无色无味。

2.2ＴＭＡＨ与其他各向异性腐蚀液的比较

目前在ＭＥＭＳ工艺中使用的其他各向异性腐蚀剂主要有两类，一类是有机腐蚀剂，主要有ＥＰＷ（乙二胺，邻苯二酸和水）、联胺等；另一类是碱性腐蚀液，主要有ＫＯＨ，ＮａＯＨ，ＣｓＯＨ，ＮＨ４ＯＨ等。这两类腐蚀剂都有缺陷，其中ＥＰＷ和联胺腐蚀性能很好，但因有剧毒，不易操作。ＫＯＨ具有选择性好、腐蚀速度快、表面平整等优点，在工艺中得到广泛的应用，但不足的是ＫＯＨ属于强碱性溶液，会污染环境，且带有金属离子，比较适合后处理工艺。ＫＯＨ和ＴＭＡＨ是目前ＭＥＭＳ工艺中最常用的各向异性腐蚀剂。 

系统级芯片（ＳＯＣ）的出现使得上述腐蚀液的缺点更加突出，ＴＭＡＨ因其优良的腐蚀性能，正逐渐取代ＫＯＨ和ＥＰＷ等腐蚀液的地位，它具有以下优点：

（1）与ＣＭＯＳ工艺兼容，ＣＭＯＳ工艺中最致命的杂质就是金属离子，而ＴＭＡＨ中不含金属离子，对集成在同一个芯片上的ＩＣ电路不造成伤害；

（2）具有与ＫＯＨ接近的腐蚀速度和选择比，腐蚀表面效果好；

（3）不腐蚀ＳｉＯ２和Ｓｉ３Ｎ４，可以选用ＳｉＯ２或Ｓｉ３Ｎ４作为掩模；

（4）无毒无污染，操作方便。

3实验装置

本实验用50 ｍｍ（２英寸）的ｐ型单晶硅片，实验装置如图１所示，使用恒温水浴锅得到稳定的实验温度。各个实验片互相平行放置以减小实验误差。先调节控制面板，设定所需的温度，开始加热，用温度计观察烧杯里的溶液温度，当溶液温度与水浴锅里的温度一致，并达到设定温度时，才将硅片放入。在腐蚀过程中，不断搅拌，使溶液保持流通，防止出现局部溶液浓度过低的现象。

 

实验还对（100）、（110）、（111）面分别进行腐蚀以得到ＴＭＡＨ全面的腐蚀特性。整个实验的工艺流程如下：

ａ． 标准清洗硅片，用１号液、２号液分别煮沸５ ｍｉｎ；

ｂ． 采用干湿氧化，氧化温度为1100 ℃，Ｏ２流量为４ Ｌ／ｓ，先通干氧10 ｍｉｎ，再通湿氧40 ｍｉｎ，最后再干氧10 ｍｉｎ，ＳｉＯ２的厚度约为500 ｎｍ；

ｃ． 采用正胶光刻出方形窗口；

ｄ． ＢＵＦＦＥＲ溶液腐蚀６ ｍｉｎ，将窗口的ＳｉＯ２腐蚀干净，形成良好的台阶，以便测量腐蚀的深度；

ｅ． 去胶后用台阶仪测量台阶的高度，即腐蚀前的高度，记录数据；

ｆ． 将实验片放入实验装置（如图１所示），在不同条件下，进行ＴＭＡＨ腐蚀；

ｇ． 将不同实验条件的硅片分开处理，测量台阶（即腐蚀后高度）高度，记录数据；

ｈ． 腐蚀深度即为腐蚀前后台阶高度之差，由此得出ＴＭＡＨ的腐蚀特性。

4实验结果

4.1搅拌对腐蚀速率的影响

表1的数据是（100）面在不同温度不同时间下的实验数据，整个实验过程中不搅拌溶液。从图２可以观察到，在同样温度下，随着腐蚀时间的增加，腐蚀速率有减缓的趋势，以90 ℃为例，１ ｍｉｎ时，速率为927.9 ｎｍ／ｍｉｎ，３ ｍｉｎ时，平均速率稍有减慢，为841.7 ｎｍ／ｍｉｎ，到5 ｍｉｎ，7 ｍｉｎ时，则分别降为818.8和800.1ｎｍ／ｍｉｎ。

 

经过反复的实验，发现导致ＴＭＡＨ腐蚀速率逐渐减缓的原因是没有对溶液进行搅拌。随着反应的进行，硅片表面附近的溶液浓度有所降低，因此导致了腐蚀速率略为下降。在实验装置上增加了搅拌器，使得腐蚀速率基本上保持均匀，问题得到了解决。因此可见，对于ＴＭＡＨ腐蚀来说，如果要精确控制腐蚀的深度，搅拌是一项很重要的操作。 

4.2(100)面的腐蚀特性

图３为不同温度下ＴＭＡＨ（25％）的平均腐蚀速率。从图中可以看出，ＴＭＡＨ的腐蚀速率与温度成正比，温度对腐蚀速率影响很大，每提高10℃，平均腐蚀速率大约增加300 ｎｍ／ｍｉｎ，70，80，90 ℃是常用的腐蚀温度，腐蚀速率分别为300，600，900 ｎｍ／ｍｉｎ。

 

4.3TMAH对其他面的腐蚀特性

根据实验的数据发现，ＴＭＡＨ对（110）面的腐蚀速率约为（100）面的1.5倍，而对（111）面的腐蚀则相当缓慢，约为同等条件下（100）面腐蚀速率的数十分之一。在溶液浓度为25％，温度为80 ℃的条件下，（100）面和（111）面腐蚀的比率Ｒ（100）／Ｒ（111）约为30。其他条件下略有不同。由此可见ＴＭＡＨ的晶向选择性很好。

4.4TMAH对siO2和Si3N4的腐蚀特性

ＴＭＡＨ基本上不腐蚀ＳｉＯ２和Ｓｉ３Ｎ４，因此可选用ＳｉＯ２和Ｓｉ３Ｎ４做掩模。这也是比ＫＯＨ优越的地方，例如在电容式压力传感器的工艺中，石英玻璃与硅片绑定后，对硅片进行各向异性腐蚀时，ＫＯＨ就不能用了，因为ＫＯＨ在腐蚀硅的同时，也会腐蚀ＳｉＯ２，而导致玻璃被腐蚀。 

5结论

通过对ＴＭＡＨ的腐蚀特性研究可以看出，1．ＴＭＡＨ具有较高的腐蚀速率，在90℃温度下，ＴＭＡＨ（25％）的腐蚀平均速率可达到９００ ｎｍ／ｍｉｎ，接近ＫＯＨ的腐蚀速率；2． ＴＭＡＨ晶向选择性好，相对于（100）面的腐蚀速率来说，其他面的腐蚀几乎可以忽略；3． ＴＭＡＨ基本上不腐蚀ＳｉＯ２和Ｓｉ３Ｎ４，因此便于选用ＳｉＯ２和Ｓｉ３Ｎ４做掩模；4． 最重要的是ＴＭＡＨ不含金属离子，与ＣＭＯＳ工艺兼容性好，符合ＭＥＭＳ的发展趋势——系统芯片（ＳＯＣ）；5． 无毒无污染、便于操作。鉴于以上优点，ＴＭＡＨ正逐渐地取代ＫＯＨ，成为微三维结构主要实现方法的腐蚀剂。
 
本文摘自《微纳电子技术》 


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