KOH濕法腐蝕中防金屬腐蝕工藝研究

劉 勐，劉 欣，張 威，郝一龍

(1.北京大學(xué)微米/納米加工技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100871;2.中國人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧大連116021)

0 引言

硅微機(jī)械加工技術(shù)是伴隨著MEMS技術(shù)的研究、MEMS產(chǎn)品開發(fā)而發(fā)展起來的準(zhǔn)三維加工技術(shù)。硅微機(jī)械加工技術(shù)與硅平面相結(jié)合的加工技術(shù)，對MEMS技術(shù)的研究和發(fā)展的重要意義是可想而知的。

KOH濕法腐蝕工藝是體硅工藝中常用的工藝。由于KOH中存在對IC工藝中常用金屬電極和設(shè)備的污染的K+，所以，通常采用2種方法以避免K+腐蝕金屬或?qū)υO(shè)備的污染，一種是加工完所有的IC工藝后，對硅片表面進(jìn)行防護(hù)，采用的方法主要是夾具防護(hù)或者是涂覆黑蠟等;另外一種是先進(jìn)行KOH濕法腐蝕，然后清洗，完成其余的IC工藝。2種方法都存在一定的缺點(diǎn)，第一種方法中，由于使用夾具造成操作復(fù)雜、密封夾具的加工精度不夠等原因，易造成腐蝕溶液滲透并對金屬電極腐蝕破壞，使用黑蠟等涂覆表面，黑蠟難以去除，污染環(huán)境;第二種由于體硅工藝已經(jīng)完成，再進(jìn)行IC工藝加工時，容易造成碎片，大大影響器件加工的成品率。

本文詳細(xì)介紹了采用PROTEK材料對金屬電極進(jìn)行保護(hù)的工藝和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:該工藝有效地避免上述2種方法造成的成品率低、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，對采用KOH濕法腐蝕進(jìn)行體硅加工的MEMS產(chǎn)品批量化生產(chǎn)具有非常重要的意義。

1 MEMS濕法體硅腐蝕工藝

MEMS體硅工藝主要是指在硅襯底上腐蝕、激光加工、機(jī)械鉆孔等，這里主要關(guān)注體硅加工中的濕法腐蝕工藝。

許多腐蝕方法可以用于體硅加工，選擇濕法腐蝕還是干法腐蝕基于一系列的因素，包括腐蝕掩膜的選擇、金屬鍍層以及其他材料的曝光處理、腐蝕停止的有效性、腐蝕速率、生成表面的粗糙程度、安全性、操作難度、電路的兼容性、給定加工設(shè)備的可用性和加工的成本等［1］。

MEMS加工工藝中比較傳統(tǒng)的體硅加工工藝——KOH濕法腐蝕工藝是目前廣泛采用的各向異性硅濕法腐蝕工藝［2］。KOH作為MEMS體硅加工工藝最常用的濕法腐蝕劑，由于成本低廉、安全性好、設(shè)備成本低、加工批量大、一致性較好而在MEMS體硅加工工藝中得到了廣泛的應(yīng)用。

在傳統(tǒng)的MEMS體硅工藝中，基本上是采用先進(jìn)行IC工藝加工，然后進(jìn)行KOH體硅加工腐蝕出所需要的結(jié)構(gòu)，接著進(jìn)行去除K+工藝，最后進(jìn)行金屬電極加工。

MEMS 體硅傳統(tǒng)制作工藝流程如下［3～5］:

IC工藝加工→KOH濕法腐蝕形成所需結(jié)構(gòu)→去K+→金屬電極形成→劃片→電參數(shù)測試。

由于在IC加工工藝中，Na+，K+的存在可能對集成電路造成污染，所以，去K+工藝在MEMS體硅KOH腐蝕工藝中具有舉足輕重的作用;另外，由于目前的MEMS加工基本上都是借用IC生產(chǎn)線進(jìn)行加工，在MEMS體硅濕法腐蝕工藝加工過程中，如果先采用了KOH體硅腐蝕工藝，已經(jīng)無法在代工線上進(jìn)行其他的工藝加工［6，7］。為了避免K+所造成生產(chǎn)線上的交叉污染，人們采用了很多辦法，例如:設(shè)計夾具、采用黑蠟進(jìn)行金屬表面防護(hù)等工藝措施，以實(shí)現(xiàn)如下所述工藝流程:

IC工藝加工→金屬電極形成→KOH濕法腐蝕形成所需結(jié)構(gòu)→去K+→劃片→電參數(shù)測試。

但是這種種措施都有其缺陷，采用夾具保護(hù)金屬表面，對夾具的加工精度要求高，操作復(fù)雜，并且由于夾具體積大而導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。采用黑蠟進(jìn)行金屬表面防護(hù)，污染性強(qiáng)，黑蠟去除困難，容易造成金屬電極表面的劃傷從而造成器件的大批量報廢，并且對工作環(huán)境的污染也是難以恢復(fù)的。

2 采用PROTEK材料進(jìn)行KOH金屬腐蝕防護(hù)工藝

PROTEK材料是美國布魯爾科技公司開發(fā)的，可以采用類似光刻膠涂覆方法進(jìn)行工藝加工，在KOH典型腐蝕和HCl去K+工藝條件下對金屬電極進(jìn)行有效防護(hù)的一種新材料。PROTEK由2種材料構(gòu)成，一種是用來進(jìn)行器件表面的增粘處理的Primer，另外一種是用來進(jìn)行防護(hù)金屬腐蝕的特殊材料ALKALI PROTECTIVE，還有包含去除這2種材料的專用溶劑。布魯爾科技公司對PROTEK提供基本工藝，但是由于各生產(chǎn)線和實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備情況不一，不能完全按照該公司提供的標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行操作。本文就是根據(jù)一般實(shí)驗(yàn)室都具備的勻膠機(jī)和烘箱代替了專用設(shè)備而開發(fā)的適合于普通實(shí)驗(yàn)設(shè)備的工藝。

PROTEK防護(hù)材料的工藝加工過程與光刻工藝中的光刻膠勻膠工藝類似，采用熱板或烘箱進(jìn)行烘膠處理。由于PROTEK材料的特殊性，材料涂覆和烘烤需要多次進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)工藝流程如下:

1)涂覆 Primer:采用普通勻膠機(jī)即可，轉(zhuǎn)速設(shè)定為1500 r/s，勻膠時間60s;由于采用普通設(shè)備，所以，采用傾倒的方法在硅片表面進(jìn)行滴膠操作，覆蓋硅片一半面積以上，滴Primer操作在5 s內(nèi)完成;

2)Primer烘膠:采用普通烘箱，溫度為185℃，時間為180 s;

3)Primer冷卻:在室溫、潔凈條件下水平靜置10 min;

4)ALKALI PROTECTIVE涂覆:仍采用普通勻膠機(jī)，轉(zhuǎn)速1300 r/s，勻膠時間設(shè)定90 s;

5)ALKALI PROTECTIVE烘膠:185℃，時間40 min;

6)冷卻:室溫冷卻2 h;

7)KOH施法腐蝕:80℃，7 h;

8)去 K+，用 HCl進(jìn)行去 K+工藝，15 min;

9)去膠，去膠操作與普通光刻類似，采用丙酮、乙醇、去離子水沖洗的操作方法，最后為了保證去膠的質(zhì)量，采用氧等離子體干法去膠10 min;或者采用二甲苯溶劑進(jìn)行浸泡去膠。

3 抗腐蝕實(shí)驗(yàn)

按照上述工藝條件，對加工好金屬電極的硅片進(jìn)行了PROTEK工藝的勻膠和烘干等操作，并且按照KOH腐蝕硅370～400μm，腐蝕速率1μm/s，腐蝕溫度80℃，機(jī)械攪拌，無過濾的正常工藝條件進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果如下(所有實(shí)驗(yàn)用硅片都是加工好電極的廢片，不影響本實(shí)驗(yàn)結(jié)果):

勻膠、干燥后，Primer和ALKALI PROTECTIVE的涂覆沒有出現(xiàn)干涉條紋，如圖1所示，可以看出:材料涂覆比較均勻，保形性較好。由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響或者是在操作過程中殘留在瓶口或者瓶中的顆粒影響，導(dǎo)致有顆粒在實(shí)驗(yàn)硅片表面，由于本實(shí)驗(yàn)主要考核PROTEK材料的抗KOH和HCl的腐蝕能力，所以，有表面污染的硅片不再進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)。

圖1 PROTEK勻膠、干燥后顯微鏡相片F(xiàn)ig 1 Microphotograph after coating and baking

將涂覆好PROTEK材料的硅片放置在KOH腐蝕液中(質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%，80℃，機(jī)械攪拌無過濾)進(jìn)行硅材料的KOH腐蝕，硅片厚度430μm。腐蝕不同時間的表面結(jié)果如圖2所示。

由以上不同腐蝕時間的結(jié)果可以看出:硅片表面電極完整，PROTEK材料表面有氣泡出現(xiàn)，隨著腐蝕時間的增加，氣泡逐漸增加，但是PROTEK材料依然可以保護(hù)材料表面金屬免受KOH腐蝕，圖形清晰完整。由此可以看出:PROTEK材料在保護(hù)金屬免受KOH腐蝕性能方面表現(xiàn)良好。

圖2 各個不同時間段硅片表面Fig 2 Surface of the silicon at different time

下面將經(jīng)過KOH 400 min腐蝕的硅片放入到HCl溶液中進(jìn)行去除K+工藝，如圖3所示。

圖3 HCl溶液中浸泡15 min后Fig 3 After soaked in HCl solution for 15 min

由圖3可以看出:PROTEK表面氣泡繼續(xù)增加，但是圖形表面金屬圖形完整無腐蝕，表明經(jīng)過KOH 400min和HCl 15min后，PROTEK材料對硅片表面金屬圖形的防護(hù)作用依然良好。

相對于黑蠟進(jìn)行硅片的表面防護(hù)，PROTEK材料的優(yōu)點(diǎn)在于易于操作和去除，本實(shí)驗(yàn)沒有采用供應(yīng)商提供的工藝和去膠溶劑，也沒有采用時間較長的丙酮、乙醇和氧等離子體體干法去膠，而采用價格低廉的二甲苯浸泡去膠。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 二甲苯浸泡15 min后Fig 4 After soaked in dimethylbenzene xylene solution for 15 min

由圖4可以看出:在經(jīng)過二甲苯浸泡15 min后，PROTEK材料去除干凈，硅片表面清潔，金屬電極完整。

另外，對PROTEK在半導(dǎo)體工藝中常用的HF抗腐蝕能力也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 HF 5 min腐蝕效果Fig 5 Etching effect in HF for 15 min

4 結(jié)論

KOH體硅加工工藝是MEMS器件加工的常用工藝，由于K+對集成電路的污染，所以，在進(jìn)行KOH腐蝕工藝前完成所有的IC工藝加工是MEMS器件加工的趨勢。通過利用PROTEK材料所開發(fā)的新工藝，可以滿足KOH濕法腐蝕工藝和HCl去K+對硅材料表面的防護(hù)需要，經(jīng)過二甲苯浸泡后的實(shí)驗(yàn)表明:該材料去除容易，硅材料表面無污染、圖形完整。實(shí)驗(yàn)表明:PROTEK材料與相關(guān)工藝完全可以滿足在MEMS體硅工藝加工中，KOH濕法腐蝕和HCl去除K+工藝中對硅表面金屬電極的防護(hù)作用，并且工藝操作簡單方便，材料去除方便，可以有效地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

［1］夏偉鋒，馮 飛，王 權(quán)，等.KOH各向異性腐蝕中預(yù)處理對硅表面粗糙度的影響［J］.半導(dǎo)體光電，2010，31(4):579-582.

［2］黃慶安.硅微機(jī)械加工技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，1995:51-57.

［3］李德勝，王東紅，孫金瑋，等.MEMS技術(shù)及其應(yīng)用［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002:47-78.

［4］Bean K E.An anisotropic etching of silicon［J］.IEEE Trans on Electron Devices，1978，25:1178-1184.

［5］邵海波，王建明.純鋁在KOH-乙醇溶液中的電化學(xué)行為［J］.電化學(xué)，2004，10(4):430-434.

［6］Li Qingfeng，Bjertum N J.Aluminum as anode for energy storage and conversion:A review［J］.J of Powersources，2002，110:1-10.

［7］格雷戈里·T，科瓦奇 A.微傳感器與微執(zhí)行器全書［M］.張文棟，譯.北京:科學(xué)出版社，2003:26-28.