TMAH單晶硅腐蝕特性研究

發(fā)布時(shí)間:2008/6/5 0:00:00 訪問次數(shù):739

鄧俊泳1，馮勇建2

（1.廈門大學(xué)機(jī)電工程系，福建廈門 361005；2.廈門大學(xué)薩本棟微機(jī)電研究中心，福建廈門 361005）

摘要：tmah是一種具有優(yōu)良的腐蝕性能的各向民性腐蝕劑，選擇性好，無毒且不污染環(huán)境，最重要的是tmah與cmos工藝相兼容，符合soc的發(fā)展趨勢。tmah正逐漸替代koh和其他腐蝕液，成為實(shí)現(xiàn)mems工藝中微三維結(jié)構(gòu)的主要腐蝕劑。本文著重介紹了tmah的特性、工藝條件及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：四甲基氫氧化氨；各向異性腐蝕；微機(jī)電系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：tn405 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼；a文章編號(hào)：1671-4776（2003）12-0032-03

1引言

mems是一個(gè)多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉的新興學(xué)科，主要研究傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及微小機(jī)械結(jié)構(gòu)。其工藝由ic工藝發(fā)展而來，主要包括清洗、氧化、擴(kuò)散、光刻、腐蝕、氣相沉積、封裝等。與ic工藝不同的是，mems工藝突破了平面工藝的局限，可實(shí)現(xiàn)各種微機(jī)械結(jié)構(gòu)。

微三維結(jié)構(gòu)是mems中一個(gè)最重要的分支，主要有懸臂梁、硅橋、微流體通道、腔體等。微三維結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)與各向異性腐蝕密切相關(guān)。各向異性腐蝕是mems中的一個(gè)極其重要的工藝，是指在特定的腐蝕液中，硅在某些晶向上的腐蝕速率很大；相比之下，其他晶向則要緩慢得多，甚至可以認(rèn)為不腐蝕。根據(jù)這種特性，選擇適當(dāng)?shù)墓に嚵鞒�，可以加工出所需的各種各樣的微結(jié)構(gòu)。目前最常用的各向異性腐蝕劑是koh，但隨著mems逐步向soc發(fā)展（soc為系統(tǒng)芯片，即將cmos電路和微機(jī)械結(jié)構(gòu)集成在同一塊芯片上，這樣將大大提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性），koh已經(jīng)暴露出一些致命的不足，如溶液中含金屬離子，與cmos工藝兼容性差等。tmah在ic工業(yè)中是用于vlsi（超大規(guī)模集成電路）的腐蝕工藝的，因其優(yōu)良的性能，正逐漸地進(jìn)入mems工藝中取代koh，成為微三維結(jié)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)方法的腐蝕劑。

2tmah的性質(zhì)

2.1tmah的主要物理性質(zhì)

tmah（ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙ１ａｍｍｏｎｉｕｍｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）全稱為四甲基氫氧化氨，分子式為（ch3）４noh，為無色結(jié)晶（常含3，5等結(jié)晶水），極易吸潮，在空氣中能迅速吸收二氧化碳，130 ℃時(shí)分解為甲醇和三甲胺。工藝中通常使用的是10％和25％的水溶液，無色無味。

2.2ｔｍａｈ與其他各向異性腐蝕液的比較

目前在ｍｅｍｓ工藝中使用的其他各向異性腐蝕劑主要有兩類，一類是有機(jī)腐蝕劑，主要有ｅｐｗ（乙二胺，鄰苯二酸和水）、聯(lián)胺等；另一類是堿性腐蝕液，主要有ｋｏｈ，ｎａｏｈ，ｃｓｏｈ，ｎｈ４ｏｈ等。這兩類腐蝕劑都有缺陷，其中ｅｐｗ和聯(lián)胺腐蝕性能很好，但因有劇毒，不易操作。ｋｏｈ具有選擇性好、腐蝕速度快、表面平整等優(yōu)點(diǎn)，在工藝中得到廣泛的應(yīng)用，但不足的是ｋｏｈ屬于強(qiáng)堿性溶液，會(huì)污染環(huán)境，且?guī)в薪饘匐x子，比較適合后處理工藝。ｋｏｈ和ｔｍａｈ是目前ｍｅｍｓ工藝中最常用的各向異性腐蝕劑。

系統(tǒng)級(jí)芯片（ｓｏｃ）的出現(xiàn)使得上述腐蝕液的缺點(diǎn)更加突出，ｔｍａｈ因其優(yōu)良的腐蝕性能，正逐漸取代ｋｏｈ和ｅｐｗ等腐蝕液的地位，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）與ｃｍｏｓ工藝兼容，ｃｍｏｓ工藝中最致命的雜質(zhì)就是金屬離子，而ｔｍａｈ中不含金屬離子，對(duì)集成在同一個(gè)芯片上的ｉｃ電路不造成傷害；

（2）具有與ｋｏｈ接近的腐蝕速度和選擇比，腐蝕表面效果好；

（3）不腐蝕ｓｉｏ２和ｓｉ３ｎ４，可以選用ｓｉｏ２或ｓｉ３ｎ４作為掩模；

（4）無毒無污染，操作方便。

3實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)用50 ｍｍ（２英寸）的ｐ型單晶硅片，實(shí)驗(yàn)裝置如圖１所示，使用恒溫水浴鍋得到穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)溫度。各個(gè)實(shí)驗(yàn)片互相平行放置以減小實(shí)驗(yàn)誤差。先調(diào)節(jié)控制面板，設(shè)定所需的溫度，開始加熱，用溫度計(jì)觀察燒杯里的溶液溫度，當(dāng)溶液溫度與水浴鍋里的溫度一致，并達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，才將硅片放入。在腐蝕過程中，不斷攪拌，使溶液保持流通，防止出現(xiàn)局部溶液濃度過低的現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)還對(duì)（100）、（110）、（111）面分別進(jìn)行腐蝕以得到ｔｍａｈ全面的腐蝕特性。整個(gè)實(shí)驗(yàn)的工藝流程如下：

ａ．標(biāo)準(zhǔn)清洗硅片，用１號(hào)液、２號(hào)液分別煮沸５ｍｉｎ；

ｂ．采用干濕氧化，氧化溫度為1100 ℃，ｏ２流量為４ｌ／ｓ，先通干氧10 ｍｉｎ，再通濕氧40 ｍｉｎ，最后再干氧10 ｍｉｎ，ｓｉｏ２的厚度約為500 ｎｍ；

ｃ．采用正膠光刻出方形窗口；

ｄ．ｂｕｆｆｅｒ溶液腐蝕６ｍｉｎ，將窗口的ｓｉｏ２腐蝕干凈，形成良好的臺(tái)階，以便測量腐蝕的深度；

ｅ．