用于承載銣原子鐘濾光泡的高品質(zhì)微腔體制備*

王婷婷， 曾毅波， 王盛貴， 魏秀燕， 畢瑞可， 郭 航

(1.廈門大學(xué) 物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建 廈門 361005; 2.廈門大學(xué) 薩本棟微米納米技術(shù)研究院，福建 廈門 361005)

0 引 言

硅各向異性腐蝕工藝是MEMS 加工技術(shù)的重要組成部分。(100)硅片各向異性腐蝕后，{111}斜面與{100}底面成54.74°。通過提高KOH腐蝕溶液的溶度、在腐蝕溶液添加異丙醇、腐蝕過程中采用磁力攪拌等技術(shù)，而后進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)上述腐蝕技術(shù)能夠明顯改善{100}晶面的腐蝕質(zhì)量，能夠有效降低腐蝕表面的粗糙度[1～3]。相比較而言，對(duì)于{111}腐蝕表面形貌狀態(tài)的研究比較少，這與AFM,SEM等形貌設(shè)備在斜面表征功能上存在著局限性有關(guān)。激光共聚焦掃描顯微鏡(laser scanning confocal microscope,LSCM)彌補(bǔ)了這一缺陷，它可以對(duì){111}腐蝕表面進(jìn)行定性和定量分析。LSCM 所具有的共聚焦成像，光學(xué)層析和掃描過程中光強(qiáng)調(diào)節(jié)等特點(diǎn)[4]，使得LSCM具備大角度斜面粗糙度的測(cè)量功能。

微小型銣原子鐘或稱芯片級(jí)原子鐘不僅可以提供精確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，而且體積小，功耗低，在國(guó)防和民用的眾多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，可以為衛(wèi)星通信技術(shù)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、雷達(dá)系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)以及電力調(diào)度等提供精確時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)[5]。微空腔是微小型銣原子鐘用于放置濾光泡的載體[6]，要求空腔體形制規(guī)則，空腔體四周側(cè)壁平滑。采用各項(xiàng)異性腐蝕的技術(shù)制作微空腔，依據(jù)其原理，空腔體四周側(cè)面是{111}面。鑒于{111}面腐蝕研究相對(duì)缺乏的狀況，本文將探討腐蝕改進(jìn)的工藝并結(jié)合LSCM 的表征手段，以獲得側(cè)壁光滑的微空腔體，同時(shí)針對(duì)硅進(jìn)行各向異性腐蝕會(huì)產(chǎn)生削角現(xiàn)象，在微空腔體凸角處將采用條形補(bǔ)償?shù)姆椒?，保證微空腔的形狀規(guī)則, 用于芯片級(jí)原子鐘。

1 制造工藝過程

選用采用4 in(l in=2.54 mm)，n型、厚度為900 μm的雙面拋光硅片作為實(shí)驗(yàn)片，具體工藝步驟如表1所示。所設(shè)計(jì)的的微空腔體如圖1所示，單個(gè)腔體的單邊尺寸從2 000～4 000 μm不等，腔體的凸角處在各向異性腐蝕時(shí)要采用凸角補(bǔ)償，避免產(chǎn)生削角現(xiàn)象。

表1 微空腔的制作工藝步驟

圖1 硅的各向異性濕法腐蝕

2 LSCM的表征技術(shù)

2.1 LSCM成像原理

圖2為共聚焦成像原理。LSCM采用點(diǎn)照明方式，入射光線和發(fā)射光線對(duì)于物鏡焦平面是共軛的，這樣來(lái)自焦平面上下的光線均被針孔阻擋，當(dāng)針孔大小合適時(shí)，便可獲得高清晰的圖像。LSCM采用短波長(zhǎng)激光作為點(diǎn)光源，不僅可以提高水平分辨率，而且具有高亮度、高純度等特點(diǎn)。在點(diǎn)照明狀態(tài)下,為了獲得完整的樣品表面信息即多點(diǎn)的信息，則必須使入射光線在焦平面(XY) 上逐點(diǎn)逐行掃描，將每點(diǎn)掃描的圖像信息經(jīng)過PC采集、存儲(chǔ)、處理，轉(zhuǎn)換后合成二維圖像。三維圖像是Z方向以一定間距掃描，得出Z方向位置的多幅X—Y圖像，并經(jīng)過PC堆積合成，獲得三維帶有高度信息的重建圖像。研究中采用Olympus公司生產(chǎn)的OLS1200—FAR2型LSCM。該設(shè)備采用He—Ne激光束作為光源，其橫向分辨率為0.15 μm，縱向分辨率為0.01 μm。

圖2 LSCM的成像原理

2.2 斜面表征

根據(jù)LSCM成像原理可知，LSCM的分辨率除了與光源波長(zhǎng)有關(guān)外，還取決于針孔直徑與物鏡的數(shù)值孔徑。由于有針孔的存在，所用光源和光探頭都是點(diǎn)狀的，只有來(lái)自焦平面的光可以參與成像，而其它來(lái)自焦平面上、下的光由于不能進(jìn)入針孔而不能參與成像，使分辨率較普通光學(xué)顯微鏡大為提高，顯著改善了視野的廣度和深度。此外，由于縱向掃描裝置的存在，使得LSCM不但具有橫向分辨率，還具有縱向分辨率，不但增加了同一平面兩點(diǎn)間的分辨率，也使得各橫斷面的圖像能夠清晰地顯示。在整個(gè)掃描過程中，上下2個(gè)表面設(shè)置的光強(qiáng)強(qiáng)度較低，而斜面設(shè)置的光強(qiáng)強(qiáng)度較高。光學(xué)系統(tǒng)在向被測(cè)表面逼近的過程中，光探頭接收到的光強(qiáng)經(jīng)歷了一個(gè)從無(wú)到有、從弱到強(qiáng)、再變?nèi)踔钡綗o(wú)的過程。這樣，可根據(jù)判斷光強(qiáng)的最大值來(lái)確定光探頭在被測(cè)表面準(zhǔn)確位置，從而準(zhǔn)確描繪出整個(gè)斜面的形貌[7]。

圖3所示為硅片在80 ℃下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30 %的KOH 溶液后應(yīng)用LSCM進(jìn)行表征。圖4表示應(yīng)用LSCM所具備的“Curve-Fitting”功能對(duì)整個(gè)3D圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使{111}斜面旋轉(zhuǎn)為平面，以利進(jìn)行表面粗糙度的測(cè)量。圖5是對(duì)旋轉(zhuǎn)后的{111}面進(jìn)行粗糙度測(cè)量，其Rq值為0.169 μm。

圖3 LSCM 表征{111}腐蝕面

圖4 斜面旋轉(zhuǎn)為平面

圖5 {111}腐蝕面粗糙度測(cè)量

3 基于各向異性腐蝕之{111}斜面粗糙度的改善

3.1 超聲腐蝕系統(tǒng)的改進(jìn)

(100) 硅片分別在純KOH 溶液，帶有磁力攪拌的KOH 溶液和帶有超聲的KOH溶液中腐蝕，并用LSCM表征{111} 面的腐蝕結(jié)果。圖6為改進(jìn)前的超聲腐蝕系統(tǒng)，瓶蓋通入冷卻水，可有效防止腐蝕溶液受熱揮發(fā)。此系統(tǒng)的不足在于超聲爐加熱器置于底部，另外,長(zhǎng)時(shí)間腐蝕后底部的超聲換能器會(huì)發(fā)熱，導(dǎo)致腐蝕瓶底部溶液的溫度高于腐蝕瓶頂部溶液的溫度，其溫差可達(dá)2°～3°，從而造成腐蝕速率的不均勻。

圖7為改進(jìn)后的超聲腐蝕系統(tǒng),該系統(tǒng)不采用超聲機(jī)自帶的加熱裝置對(duì)溶液進(jìn)行加熱，而是引入環(huán)形加熱圈，經(jīng)過恒溫水浴鍋加熱后的去離子水在環(huán)形加熱圈內(nèi)進(jìn)行回流，從環(huán)形加熱圈頂部流入，再?gòu)沫h(huán)形加熱圈底部流出，最后回流至恒溫水浴鍋。同時(shí)超聲能增加攪拌作用，有助于改善腐蝕溶液各個(gè)層面的溫度的均勻性。采用該系統(tǒng)，其溶液溫差可控制在0.5°之內(nèi)。

圖6 改進(jìn)前的超聲腐蝕系統(tǒng)

圖7 改進(jìn)后的超聲腐蝕系統(tǒng)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30 %KOH的腐蝕溶液，腐蝕溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30 %，可以獲得比較平滑的腐蝕表面[3,7]。圖8～圖10分別是(100) 硅片在80 ℃，30 %的KOH溶液；80 ℃，30 %KOH，磁力攪拌功率為400 W的溶液；80 ℃，30 %KOH，超聲頻率與功率分別為為59 kHz和60 W的溶液中進(jìn)行各向濕法腐蝕后，運(yùn)用LSCM對(duì){111} 腐蝕斜面進(jìn)行表征的結(jié)果。

圖8 純KOH溶液腐蝕后表面形態(tài)

圖9 磁力攪拌腐蝕后表面形態(tài)

圖10 超聲腐蝕后表面形態(tài)

表2為在3種不同工藝下腐蝕，{111}腐蝕表面的粗糙度Rq值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：采用超聲腐蝕的方法，能夠顯著改善腐蝕的表面質(zhì)量。上述3種不同實(shí)驗(yàn)的腐蝕速度大致相等，約為75.5～76 μm/h。

表2 腐蝕表面粗糙度

3.3 磁力攪拌和超聲對(duì){111}腐蝕表面粗糙度的改善

應(yīng)用KOH腐蝕硅的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理如式(1)所示。各向異性腐蝕過程中產(chǎn)生的氫氣是造成腐蝕表面粗糙的主要原因。如圖11所示，氫氣氣泡附著在硅表面，形成了“假的”掩模層，阻礙了腐蝕溶劑和硅原子的反應(yīng)，不僅會(huì)使腐蝕速率明顯降低，同時(shí)會(huì)使腐蝕表面形成橘皮狀，造成腐蝕表面粗糙度的增加。

Si+2KOH+H2O→K2SiO3+2H2↑.

(1)

圖11 氫氣形成“假的”掩膜層

如圖8所示，(100)硅片經(jīng)純KOH溶液腐蝕后，{111}斜面有明顯的橘皮現(xiàn)象。如圖9所示，與純粹的KOH溶液腐蝕相比，攪拌腐蝕可以改善腐蝕表面質(zhì)量，這主要是基于磁粒攪拌帶動(dòng)腐蝕液流動(dòng)，以達(dá)到對(duì)流的作用，促使氫氣氣泡脫離腐蝕表面，但此方法無(wú)法達(dá)到均勻流動(dòng)和快速擴(kuò)散的現(xiàn)象，因此,改善腐蝕表面質(zhì)量的作用有限。

如圖10所示，超聲能夠顯著提升{111}腐蝕表面質(zhì)量，這主要是基于超聲空化的作用?？栈侵冈谝后w中由于超聲波的物理作用，某些地方形成局部的暫時(shí)的負(fù)壓區(qū)，從而引起液體或液固界面的斷裂，形成微小的空泡或氣泡。當(dāng)聲壓達(dá)到一定時(shí)，氣泡迅速增長(zhǎng)，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓力，破壞氫氣氣泡黏附在硅片表面上而使它們分散于腐蝕溶液中[8]。超聲空化在固體和液體表面上所產(chǎn)生的高速微射流能夠快速去除氫氣氣泡，對(duì)氫氣氣泡起到機(jī)械剝離作用，同時(shí)超聲空化還能增加腐蝕溶液機(jī)械攪拌的效能，強(qiáng)化腐蝕溶液的腐蝕功能，提升促使腐蝕溶液與硅原子的化學(xué)反應(yīng)效率。所以,采用超聲腐蝕能夠明顯改善{111}斜面的表面腐蝕質(zhì)量。超聲腐蝕的工藝參數(shù)為：腐蝕溫度80 ℃，KOH腐蝕溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30 %，超聲頻率為59 kHz ，腐蝕功率為160 W。

4 基于超聲各向異性腐蝕的凸角補(bǔ)償

4.1 凸角掩模補(bǔ)償圖案的選擇

以正方形或長(zhǎng)方形方塊設(shè)計(jì)的掩模板圖形來(lái)制作微空腔，如圖1所示都存在著凸角，在各向異性腐蝕過程中不可避免會(huì)存在凸角因?yàn)楦g而導(dǎo)致削角現(xiàn)象，如圖12所示。通過LSCM表征，其主要的削角斜面與底面{100}的夾角為46.3°，即為{311} 面，其與{100} 面交線方向?yàn)椤?10〉方向，如圖13所示。

圖12 腐蝕過程中的凸角削角

圖13 削角斜面的表面形態(tài)

為了獲得規(guī)整的微空腔體，必須進(jìn)行凸角補(bǔ)償，主要是依據(jù)削角斜面的晶面方向制定掩膜補(bǔ)償圖案。研究中采用的補(bǔ)償圖案是條形掩模補(bǔ)償，如圖14所示。

圖14 條形掩模補(bǔ)償

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[9～11]，條形的長(zhǎng)度L取決于腐蝕深度H，即為

L≈2.7H.

(2)

條形的寬度為

B=0.2L.

(3)

制作微空腔所需的硅片厚度為900 μm，由于是采用雙面腐蝕，故腐蝕深度H為450 μm，根據(jù)式(2)和式(3)，條形的長(zhǎng)度L和寬度B分別為1 215，243 μm。

4.2 微空腔的制備

采用超聲濕法腐蝕制備微空腔，其工藝參數(shù)為：腐蝕溫度80 ℃，KOH腐蝕溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30 %，超聲頻率為59 kHz，腐蝕功率為160 W。針對(duì)凸角，采用條形掩模補(bǔ)償法，條形的長(zhǎng)度分別為1 150,1 200,1 250 μm，對(duì)應(yīng)寬度為230,240,250 μm。圖15所示為用于制作微空腔所需的掩模版。

圖16顯示微空腔的腐蝕過程，采用條形長(zhǎng)度為1 200 μm的補(bǔ)償圖案最佳。驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)式(2)和式(3)所計(jì)算的條形尺寸。經(jīng)過6 h腐蝕后，形成微空腔。圖17是采用上述工藝，所獲得的側(cè)壁光滑、形制規(guī)整的微空腔。

圖15 用于制作微空腔所需的掩模版

圖16 濕法腐蝕制備微空腔

圖17 微空腔

5 結(jié) 論

1)在硅各向異性腐蝕中引入超聲技術(shù)，基于超聲空化原理，對(duì)黏附在硅片腐蝕表面上氫氣氣泡起到有效的機(jī)械剝離作用，從而明顯改善{111} 斜面的腐蝕質(zhì)量；

2)利用LSCM對(duì)所腐蝕的{111} 斜面進(jìn)行表征，實(shí)現(xiàn)了對(duì)腐蝕斜面的定性和定量分析，彌補(bǔ)了AFM，SEM等形貌設(shè)備在斜面表征功能上所存在著的局限性；

3)采用條形掩模補(bǔ)償法有效避免了凸角腐蝕過程中所產(chǎn)生的削角現(xiàn)象，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)認(rèn)證，選用條形長(zhǎng)度為1 200 μm，寬度為240 μm 的補(bǔ)償圖案最佳；

4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用上述工藝和表征手段，能夠獲得側(cè)壁光滑、形制規(guī)整的微空腔，用于芯片級(jí)銣原子鐘的濾光泡與吸收泡。

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