摘要

在 KOH 水溶液中進(jìn)行濕法化學(xué)蝕刻期間，硅 (1 1 1) 的絕對(duì)蝕刻速率已通過(guò)光學(xué)干涉測(cè)量法使用掩膜樣品進(jìn)行了研究。蝕刻速率恒定為0.62 ± 0.07 μm/h 且與 60 時(shí) 1–5 M KOH 溶液的堿濃度無(wú)關(guān) ?C。僅在堿性濃度越低，蝕刻速率越低。添加異丙醇會(huì)略微降低絕對(duì)蝕刻速率。在標(biāo)準(zhǔn) KOH 溶液中蝕刻反應(yīng)的活化能為 0.61 ± 0.03 eV 和0.62 ± 0.03 eV，向溶液中加入 1 M 異丙醇。這表明反應(yīng)確定受反應(yīng)動(dòng)力學(xué)影響，而不是受輸運(yùn)限制。在所有情況下，表面都被淺蝕刻坑覆蓋，與晶體中的缺陷無(wú)關(guān)。這意味著決定蝕刻速率的實(shí)際因素是這些凹坑底部新空位島的二維成核。該過(guò)程可能由反應(yīng)產(chǎn)物的局部積累催化，其優(yōu)先發(fā)生在掩模邊緣附近。

介紹

硅的各向異性濕法化學(xué)蝕刻是一種廣泛使用的工藝，也是微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 制造中的重要步驟 [1–5]. 該工藝基于硅晶體的 10 0 和 11 0 面與 11 1 面之間蝕刻速率的顯著差異 . 由于 Si-11 1平面是KOH溶液中蝕刻最慢的平面濕化學(xué)各向異性蝕刻通常應(yīng)用于掩膜 (1 1 0) 和 (1 0 0) 晶片，從而產(chǎn)生由 11 1 平面包圍的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。蝕刻過(guò)程中最慢的 11 1 面與硅的其他兩個(gè)晶向之間的蝕刻速率差異也稱(chēng)為各向異性比，這是決定 MEMS 質(zhì)量的主要因素。與快速蝕刻 (1 0 0) 和 (1 1 0) 平面相比，仍然缺乏對(duì)“精確”定向 (1 1 1) 面的絕對(duì)蝕刻速率的了解。除了 (1 0 0) 和 (1 1 0) Si 晶片的加工之外，Si-11 1 蝕刻的知識(shí)對(duì)于 (1 1 1) 取向晶片的加工也很重要，作為獲得光滑表面和不同各種獨(dú)立的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)步驟

樣品制備

所有樣品均由 Czochralski 生長(zhǎng)的 4 英寸制備。Okmetic 提供的 (1 1 1) 取向 p 型硅片(摻硼，電阻率 5–10 K cm，直徑 100 ± 0.5 mm，厚度525 25 μm，定向誤差 <0.5°)。樣品晶片是通過(guò) 300 nm 厚(低應(yīng)力)富硅氮化物 (SiRN) 層的 LPCVD 沉積掩蔽。條件：9200 mTorr，850°C，70 sccmSiH2Cl2, 18sccm NH3。為了獲得圓形開(kāi)口的定向陣列，在晶片沿晶片平面對(duì)齊之后使用了一個(gè)光刻步驟種對(duì)齊有助于確定蝕刻后表面圖案的晶體取向。氮化物層中的圓形區(qū)域通過(guò)等離子體蝕刻(干反應(yīng)離子蝕刻(DRIE))隨后進(jìn)行短氟化物蝕刻(48% HF)并去除光刻膠。以這種方式獲得的掩模由直徑為 0.5、1、2 和 5 毫米的圓形開(kāi)口圖案組成。掩蔽的樣品被切成20.0×20.0mm2的樣品。

結(jié)果

蝕刻率

在進(jìn)行實(shí)際蝕刻速率測(cè)量之前，我們驗(yàn)證了環(huán)境氧對(duì)硅蝕刻速率的影響。這是通過(guò)比較標(biāo)準(zhǔn) 5 M KOH 溶液中的蝕刻速率測(cè)量值在 60°C 下進(jìn)行 20 小時(shí)，氧氣或氬氣鼓泡或沒(méi)有液體冒泡。由于沒(méi)有觀(guān)察到蝕刻速率的顯著差異，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)是在正常大氣條件下進(jìn)行的，沒(méi)有惰性氣體鼓泡。

圖1作為相互掩膜開(kāi)口直徑的函數(shù)的垂直蝕刻深度(5 M KOH，不加或加 1 M IPA，T = 60 ?C)。1/D = 0 時(shí)的值提供了對(duì)無(wú)限掩模開(kāi)口的蝕刻速率的估計(jì)。

討論

在我們的實(shí)驗(yàn)中，決定 Si-(1 1 1) 蝕刻速率的實(shí)際因素是凹坑底部空位島(或 2D 孔)的 2D 成核率。該過(guò)程的活化能為 0.61 eV，高于0.50 電子伏特 [33,37] 和 0.53 eV [13] 文獻(xiàn)中報(bào)道了 Si- (1 1 1)。然而，這些值分別是通過(guò)對(duì)半球形樣品和車(chē)輪圖案進(jìn)行 KOH 蝕刻獲得的。因?yàn)閷?duì)于這些幾何形狀，Si-(1 1 1) 表面略微彎曲或靠近，蝕刻由現(xiàn)有步驟的傳播決定。因此，較低的活化能代表 步驟中的蝕刻過(guò)程，而不是在精確的 (1 1 1) 平面上形成新的空位島在我們的研究中觀(guān)察到的更高的活化能符合這樣一個(gè)事實(shí)，即平臺(tái)原子比階梯位原子更牢固地鍵合到晶體表面。

結(jié)論

在這項(xiàng)研究中，我們測(cè)量了含和不含 IPA 添加劑的 KOH 水溶液中 Si-(1 1 1) 的絕對(duì)蝕刻速率。由于使用了帶有圓形開(kāi)口的掩膜樣品，因此獲得的數(shù)據(jù)代表了蝕刻坑底部新空位島的實(shí)際 2D 成核過(guò)程，產(chǎn)生了新的臺(tái)階，而不是在靠近 (1 1 1)，如文獻(xiàn)報(bào)道。這種新層的去除是通過(guò)自催化過(guò)程進(jìn)行的，該過(guò)程由蝕刻坑底部硅酸鹽反應(yīng)產(chǎn)物的積累促進(jìn)。

審核編輯：湯梓紅