介紹

硅的各向異性蝕刻是指定向依賴的蝕刻，通常通過堿性蝕刻劑如水溶液氫氧化鉀，TMAH和其他羥化物如氫氧化鈉。由于蝕刻速率對晶體取向、蝕刻劑濃度和溫度的強烈依賴性，可以以高度可控和可重復的方式制備多種硅結構。因此，<100>硅的各向異性蝕刻是普通基于MEMS的技術中實現三維結構的關鍵過程。這些結構包括晶體管的v形凹槽、噴墨的小孔和MEMS壓力傳感器的隔膜。實際的反應機理尚不清楚，該過程的全面的物理和化學模型尚未建立。隨著MEMS應用程序的不斷增加，近年來人們對用來預測蝕刻表面剖面的過程建模、仿真和軟件工具的興趣越來越大。

在本研究中，測試晶片在稀TMAH中處理，以蝕刻類似于下圖中所示的深空腔。由于從晶片表面蝕刻出的大表面面積，蝕刻副產品對過程控制提出了挑戰，產生了不期望的結果。安裝了在線傳感器，以實時監測和控制化學物質的蝕刻副產物的濃度和質量。開發了算法來抵消這些因素的影響，并產生了一致的結果。其目的還是降低該過程的總體擁有成本(COO)。

實驗

濕的化學過程是在一個全自動的GAMA?濕處理站上進行的，使用具有典型空腔結構的200毫米晶圓。使用TMAH作為堿性蝕刻劑，其濃度適合達到最大蝕刻劑速率。硅蝕刻過程是在阿克核粒子系統的原位化學濃度控制系統的幫助下進行的。偶爾，取浴液樣本并滴定，以與NIR結果進行比較。其目標是通過在整個過程中保持一致的蝕刻速率來完全蝕刻晶片。

結果和討論

如圖1所示，顯示了實際的TMAH消耗遠遠低于預測。根據理論，大約260分鐘后應該達到最低水平。然而，直到過程開始大約540分鐘才達到，大約是理論預測的時間的2倍。因此，一種新的理論可以更準確地擬合數據。新的理論假設每1摩爾的硅只消耗1摩爾的TMAH，而不是最初的2：1的理論(TMAH：Si，基于方程1)。基于這些結果，公式1中所示的堿性蝕刻機制并不能清楚地描述發生在硅表面發生的反應。硅的蝕刻是一種涉及多個反應步驟的復雜反應。因此，當方程1假設TMAH是該反應的唯一來源時，深入研究其機制可以揭示可能的第二個來源。

圖2中的結果顯示了不同負載大小下的等效蝕刻速率。然而，盡管蝕刻速率是一致，但我們發現氣泡確實產生了局部的蝕刻模式。

圖3中的結果顯示了在兩個蝕刻深度的表面的層流。然而，實際測試晶片的結果顯示，隨著蝕刻深度的增加，外觀有明顯的差異。圖4a在蝕刻深度為250μm時呈平滑均勻，9b在500μm時呈馬蹄形。這些結果不同于CFD模型，并強調了這些類型的結構內的流動的動態性質。顯然，隨著蝕刻深度的增加，局部渦在腔內發展，這影響了蝕刻的均勻性。為了將這種影響最小化，Akrion開發了一種專有的工藝方法，允許在晶圓表面和空腔內更均勻地流動。其結果是蝕刻的過程更加均勻。

圖1. TMAH濃度模型(2：1)vs實踐

圖2. H2一代的硅蝕率與晶片負載

圖3. 當前測試設置的CFD模型：a)可能的流量示意圖，b)300μm蝕刻深度和c)450μm蝕刻深度

圖4. 不同蝕刻深度的空腔的自上而下的圖片：1)250μm和b)500μm

結論

結果表明，赤克粒子系統的適當晶片工藝通過防止H2氣泡粘在表面，產生均勻的蝕刻。然而，我們發現，隨著蝕刻深度的增加，腔內的流動動力學開始發揮重要作用，這可以從這些腔內硅表面外觀的變化中得到證明。這些局部化流模式可以通過使用赤天星開發的專有方法來最小化。使用閉環濃度控制系統也允許最小限度地使用TMAH，同時仍然保持所需的蝕刻率。這減少了發送到廢物流的化學品量，有效地降低了該過程的總體擁有成本。

審核編輯：湯梓紅