KOH和TMAH基腐蝕液中凸角補償結構的研究

孫衛(wèi)華,韓建強,徐宇翔,張智超,施 閣

(中國計量大學 機電工程學院,浙江 杭州 310018)

各向異性濕法腐蝕是制造梁、膜片、噴嘴、V型槽、臺面和其它三維微結構的重要技術[1]。濕法腐蝕存在的問題之一是,當微結構(如慣性傳感器中使用的硅臺面)被濕法腐蝕時,凸角處會發(fā)生底切。

為了獲得完整的凸角形狀,人們設計了各種凸角補償圖案,如正方形[2]、三角形[3]、疊加正方形[4]、<110>補償條[5]、折疊<110>條[6]、<100>補償條[7-8]等,應用于KOH溶液中腐蝕時的凸角保護。這些補償圖案包圍著凸角,防止它們暴露于KOH腐蝕溶液。由于KOH溶液和TMAH溶液具有不同的腐蝕特性,若將這些補償圖案用于TMAH溶液,則補償圖案的補償深度將不同于KOH溶液中的補償深度。Niu等[9]推導了TMAH溶液中疊加正方形掩膜的邊長和補償深度之間的經驗表達式。Mukhiya等[10]研究了TMAH溶液中<110>正方形和<100>補償條被完全消耗時的凸角形貌,并討論了用于KOH溶液的凸角補償結構的經驗公式在TMAH溶液中的適用性。Shayan等[11]利用仿真軟件模擬了凸角的底切過程,得出了底切率,并根據獲得的底切率設計了三角形、方形和<100>補償條的結構尺寸。Prem等[12]研究了三角形、正方形、<110>和<100>晶向補償條等補償圖案在純TMAH溶液和添加了表面活性劑NC-200的TMAH溶液中的凸角保護技術。

盡管人們?yōu)榱嗣魑龅浊械臋C制和控制腐蝕結構的形狀進行了大量的研究[13-17],但直到現在,MEMS器件的設計者仍然感到困惑,不知道哪種補償結構最好。在KOH和TMAH腐蝕液中加入添加劑可以改變腐蝕液的腐蝕特性,例如改善腐蝕面的平整度,減小削角速率等。然而目前的文獻主要研究的是不含添加劑的KOH和TMAH溶液中的凸角補償特性。當需要研究在含有添加劑的腐蝕液中的凸角補償時,由于缺乏必要的腐蝕參數,無法根據文獻中的公式設計補償圖案以在確定的腐蝕深度下實現最佳的補償效果。另外,某些加速度計需要采用低電阻率硅片腐蝕質量塊,以使質量塊上下表面具有相同的電勢[18]。但沒有人研究底切率和補深度是否受硅片摻雜濃度的影響。

本文研究了KOH和TMAH基腐蝕溶液中不同硼摻雜濃度的(100)面硅片的底切率和8種凸角補償圖案的補償深度,實驗結果對凸角補償圖案的設計具有一定的參考價值。

1 實 驗

實驗采用N型、(100)面、電阻率為5.001 1、0.015 1和0.008 7 Ω·cm的雙面拋光硅片。首先,利用熱氧化工藝在硅片的正反兩面生長2 μm厚的二氧化硅薄膜。然后在硅片的正面光刻出正方形臺面和凸角補償圖案。最后將硅片置于石英花籃里并放入腐蝕溶液中,掩模周圍的硅在腐蝕溶液中被腐蝕掉。

實驗過程中使用了4種常用的腐蝕液:80 ℃、40%KOH;75 ℃、KOH-IPA(KOH∶IPA∶H2O=51 g∶16.8 g∶76.5 g);80 ℃、25%TMAH和75 ℃、TMAH-IPA溶液(25%TMAH∶IPA=體積分數83%∶體積分數17%)。實驗中使用的KOH和TMAH分別為上海阿拉丁生化科技有限公司和上海麥克林生化有限公司生產。由于異丙醇(IPA)的沸點為82.5 ℃,加入IPA的腐蝕液的溫度控制在(75±1)℃,以避免腐蝕過程中腐蝕液成分發(fā)生變化。腐蝕后取出硅片,用去離子水清洗,氮氣吹干。分別用DEKTAK 150臺階儀和VHX-500FE顯微鏡測量補償圖案的腐蝕深度和特征尺寸。

2 補償圖案

為了在KOH和TMAH基腐蝕液中獲得完整的上下凸角,八種常用的補償圖案被添加到邊長1 500 μm的方形硅臺面的凸角上,用于研究凸角保護技術。圖1顯示了補償圖案的布局。這些補償圖案的幾何形狀詳細描述如下。

圖1 實驗中使用的補償圖案的布局Figure 1 Layout of compensation patterns used in experiments

1)<110>晶向方形。如圖1(a)左上角,正方形補償圖案的邊長(a1)為500 μm。

2)疊加正方形。邊長(a2)250 μm的兩個正方形補償圖形疊加在一起。第一個正方形的中心位于硅臺面的右上角。第二個正方形的中心位于第一個正方形的右上角,如圖1(a)右上角。

3)<100>補償條。如圖1(a)的左下角,<100>補償條的寬度(b1)和長度(L1)分別為500 μm和800 μm。

4)<110>晶向梁。如圖1(a)的右下角,<110>晶向梁的寬度(b2)和長度(L2)分別為100 μm和675 μm。

5)帶不對稱分支的<110>補償條。設計了兩個不同的帶不對稱分支的補償條,如圖1(b)的左上角(I)和右上角(II),<110>補償條的寬度(b2)設計為100 μm。長度分別為L3(250 μm)、L4(142 μm)和L5(L4+2.67b2=409 μm)。有效補償長度Leff=L3+L4+2.83b2=675 μm。

此外,在方形硅臺面的凸角處還添加了2種補償圖案:<100>寬梁和<100>窄梁,用于TMAH基腐蝕溶液中的凸角補償,如圖1(b)的左下角和右下角。與<100>補償條相比,這兩種補償圖案據稱可以減少占用面積[10]。其特征尺寸如下:

<100>寬梁:L6=546.5 μm,W1=654 μm;

<100>窄梁:L7=788 μm,W2=335.5 μm。

3 實驗結果

3.1 底切率

底切率是<110>晶向腐蝕前沿的位移與(100)面腐蝕深度的比值[12]。底切率受到腐蝕溶液的組成、腐蝕溫度和晶面指數的影響。在實驗中,重點關注了兩個關鍵問題:一是不同腐蝕溶液中硅片的底切率;二是底切率隨硅片電阻率的變化情況。測量的底切率如表1。對比實驗結果,可以得出以下結論。

表1 4種腐蝕液中硅片的底切率

1)同一硅片上的不同器件在相同腐蝕溶液中的底切率存在偏差。這是因為底切現象十分復雜,且底切面是一系列高指數晶面的包絡面,占優(yōu)晶面的出現受局部腐蝕溶液的傳輸影響。測量的底切率是整個硅片上10個器件的平均值。

2)不同硼摻雜濃度的三種硅片在相同的腐蝕液(KOH、KOH-IPA或TMAH溶液)中的底切率幾乎相同。但在TMAH-IPA溶液中,底切率隨著硼摻雜濃度的增加而減小。

3)盡管KOH和KOH-IPA溶液中的(100)面的腐蝕速率和腐蝕溫度不同,但加入IPA對底

切率的影響不大。因此,相同的補償圖案在這兩種腐蝕溶液中的補償深度幾乎相同。

4)在KOH、KOH-IPA和TMAH溶液中,從腐蝕開始到補償圖案被完全腐蝕的時間段內,底切率幾乎不變。然而,在TMAH-IPA溶液中,底切率隨著腐蝕時間的增加而逐漸增加,并逐漸趨向純TMAH溶液的底切率。其原因可能是IPA在腐蝕過程中逐漸被消耗。由于此溶液的底切率隨時間變化,因此,接下來的實驗中不再測量凸角補償圖案在這種溶液中的補償深度。

3.2 不同腐蝕溶液中的補償深度

當補償圖案被完全消耗時,(100)面的腐蝕深度被稱為補償深度。不同腐蝕溶液中不同補償圖案預測的補償深度和測量的補償深度如表2。從表中可以看出,在KOH和KOH-IPA溶液中,相同補償圖案的補償深度相近,并且大于在TMAH溶液中的補償深度。不同腐蝕溶液中不同補償圖案的補償深度分析如下。

表2 40% KOH、KOH-IPA和25% TMAH腐蝕溶液中不同補償圖案的補償深度

1)<110>晶向方形

在KOH溶液中,<110>晶向方形的補償深度等于正方形邊長(a1/2)的一半[3]。實驗中設計的方形掩膜邊長為500 μm。因此,KOH溶液中補償圖案的預測補償深度應為250 μm。在KOH和KOH-IAP溶液中,測量的補償深度分別為228 μm和227 μm,它比預測的補償深度低8.8%。

在TMAH溶液中,<110>晶向方形補償圖案的補償深度計算公式如下[11]:

(1)

這里α是腐蝕前沿和<110>晶向之間的夾角。對于25%TMAH溶液,實驗測得α=22°,底切率Ur=5.55。將其代入方程(1),計算可得補償深度為H=0.313a1=156 μm。測量的補償深度(154 μm)近似等于理論計算的補償深度。

2)疊加正方形

在KOH溶液中,邊長為a2的疊加正方形的補償深度計算公式如下[4]:

(2)

這里Uc=R(411)/R(100),R(411)和R(100)分別是(411)晶面和(100)晶面的腐蝕速率。對于80 ℃、40%KOH腐蝕溶液,Uc=1.51[19]。將其代入公式(2),計算可得補償深度為H=0.534a2。因此,疊加正方形邊長的設計值為250 μm,則預測的補償深度為133 μm。實際測量的補償深度為133 μm,與預測值相等,并且非常接近在KOH-IPA溶液中測量的補償深度(135 μm)。

在25%TMAH溶液中,邊長為a2的疊加正方形的補償深度等于0.4a2[9]。預測補償深度(100 μm)非常接近測量值(103 μm)。

盡管疊加正方形占據的有效面積與<110>晶向方形補償圖案的占據面積幾乎相同,但在KOH和TMAH基腐蝕液中,疊加正方形的補償深度要小得多。

3)<100>補償條

<100>補償條具有明確的腐蝕機制,并能形成完整的凸角。在KOH溶液中,<100>補償條的寬度(b1)應等于腐蝕深度(H)的兩倍,長度(L1)必須大于3.2H[20]。實驗中設計的<100>補償條的寬度和長度分別為500 μm和800 μm。在KOH溶液中,測量的補償深度為248 μm,在KOH-IPA溶液中,測量的補償深度為245 μm,它們非常接近預測的補償深度(250 μm)。

先前文獻中,用于TMAH溶液的<100>補償條并不是圖1(a)左下角的形狀,而是一種帶有尖峰的補償圖形[12,21,22]。在本實驗中,測量了這種矩形補償結構在TMAH溶液中的補償深度。實驗結果表明:盡管TMAH溶液的底切率是KOH溶液的1.95倍,但<100>晶向矩形補償條在TMAH溶液中的補償深度為194 μm,約為40%KOH溶液中補償深度的78%。

4)<110>晶向梁

在KOH溶液中,<110>晶向梁的補償深度(H)與長度(L2)的關系式如下[5]:

(3)

這里L2和b2是<110>晶向梁的長度和寬度,其設計值分別為675 μm和100 μm。由式(3)可得其計算的補償深度為250 μm。在KOH和KOH-IPA溶液中,測量的補償深度分別為263 μm和261 μm,略大于計算的補償深度。

在TMAH溶液中,<110>晶向梁補償深度的計算公式如下[10]:

(4)

對于80 ℃,25%TMAH溶液,Ur=5.55。則<110>晶向梁的預測補償深度等于118 μm,遠小于實測的補償深度(138 μm)。實驗結果表明,該計算公式不夠精確。因此本文推導了補償深度的計算公式。底切過程可分為以下3個連續(xù)步驟,如圖2。

圖2 <110>晶向梁的底切過程Figure 2 Undercutting process of <110> oriented beams

(a)腐蝕溶液對<110>晶向梁的兩個凸角B和C進行底切。當腐蝕前沿在點F處相遇時,腐蝕深度H1=BE/Ur。

(b)繼續(xù)腐蝕,腐蝕前沿E點退到A點,G點退到D點。在此過程中,腐蝕深度H2=EA/Ur。

(c)最后,底切<110>晶向梁固支端的三角形ΔAHD。假設腐蝕前沿與<110>晶向之間的夾角為α,則從頂點H到固支端的距離等于b2/2tgα。在此過程中,腐蝕深度H3=b2/2tgαUr。

綜上所述,總腐蝕深度的計算公式如下:

H=H1+H2+H3=(L2+b2/2tgα)/Ur。

(5)

對于80 ℃,25%TMAH溶液,測得Ur=5.55,α=22°。根據式(5)計算可得<110>晶向梁的補償深度為144 μm,與測量的補償深度(138 μm)很接近。

5)帶不對稱分支的<110>補償條

此種補償圖案的有效補償長度(Leff)為675 μm。在40%KOH溶液中,測得其補償深度為228 μm,小于預測的補償深度250 μm。誤差過大的原因在于本實驗中使用的KOH溶液的底切率(Ur=2.93)和文獻里的底切率(Ur=2.7)存在差異[6]。

在TMAH溶液中,此種補償圖案的預測的補償深度(121 μm)與測量的補償深度125 μm之間的誤差約為3.3%。

6)<100>寬梁和<100>窄梁

這兩種補償圖案是為了補償TMAH溶液中凸角的底切而提出的。據稱這兩種補償圖案具有占用空間小的優(yōu)點[10]。實驗中的掩模是根據250 μm的補償深度設計的。因此,對于<100>寬梁,L6=2.186H=546.5 μm,W1=2.616H=654 μm。對于<100>窄梁,L7=3.153H=788 μm,W2=1.414H=353.5 μm。從表2可看出測量的補償深度與設計的補償深度非常接近,這證明了該理論是正確的。

3.3 腐蝕后的凸角形貌

在理想情況下,腐蝕后的凸角不僅在臺面的上表面應該是正方形,而且當補償圖案被完全消耗時,整個立體角也應該是方形的,圖3和圖4為補償圖案被完全消耗時凸角的形貌。從圖中可以得出如下結論。

圖3 采用疊加正方形、<100>補償條、<100>寬梁和窄梁補償圖案獲得的完整立體凸角Figure 3 Complete three-dimensional convex corners obtained with compensation patterns of superimposed squares, <100> oriented bands, wide and thin <100> bars

圖4 采用<110>晶向正方形、<110>晶向梁、帶不對稱分支的<110>補償條I和II補償圖案出現的凸角削角Figure 4 Convex corner cutting appeared with compensation patterns of <110> oriented squares, <110> oriented beams, folded <110> strips I and II

1)凸角的形貌與硅片的電阻率無關。

2)如圖3,使用疊加正方形、<100>補償條、<100>寬梁和<100>窄梁作為凸角補償圖案可以獲得完整的方形角。然而,這些補償圖案占據了很大的面積,在許多情況下無法使用。

3)<110>晶向正方形、<110>晶向梁和兩種<110>條不對稱分支補償掩膜下的硅被高指數晶面底切,并在凸角處留下不同尺寸的削角,如圖4。其中,用<110>條不對稱分支(II)補償的凸角具有最小的削角,而用<110>晶向梁和<110>條不對稱分支(I)補償的凸角的頂面和底面出現顯著的削角。與疊加正方形、<100>補償條、<100>寬梁和<100>窄梁相比,這些補償圖案占用的補償面積較小。

4 結 語

實驗研究了不同電阻率的硅片上在KOH基和TMAH基腐蝕溶液中的底切率,測量了8種凸角補償圖案的補償深度,并與理論預測值進行比較。實驗結果表明:1)在KOH腐蝕液中加入IPA,底切率幾乎沒有變化;在TMAH腐蝕液中加入IPA,底切率顯著降低;2)在TMAH-IPA腐蝕液中,隨著硼摻雜濃度增加,底切率減小;3)使用疊加正方形、<100>補償條、<100>寬梁和窄梁作為凸角補償圖案,可以獲得完整的凸角。這些結論對凸角補償圖案的設計、腐蝕液類型和硅片的選取具有一定的參考價值。