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TMAH单晶硅腐蚀特性研究

发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:735

邓俊泳1,冯勇建2
(1.厦门大学机电工程系,福建 厦门 361005;2.厦门大学萨本栋微机电研究中心,福建 厦门 361005)
摘要:tmah是一种具有优良的腐蚀性能的各向民性腐蚀剂,选择性好,无毒且不污染环境,最重要的是tmah与cmos工艺相兼容,符合soc的发展趋势。tmah正逐渐替代koh和其他腐蚀液,成为实现mems工艺中微三维结构的主要腐蚀剂。本文着重介绍了tmah的特性、工艺条件及应用。

关键词:四甲基氢氧化氨;各向异性腐蚀;微机电系统

中图分类号:tn405 文献标识码;a文章编号:1671-4776(2003)12-0032-03


1引言

mems是一个多学科、多领域交叉的新兴学科,主要研究传感器、执行机构及微小机械结构。其工艺由ic工艺发展而来,主要包括清洗、氧化、扩散、光刻、腐蚀、气相沉积、封装等。与ic工艺不同的是,mems工艺突破了平面工艺的局限,可实现各种微机械结构。

微三维结构是mems中一个最重要的分支,主要有悬臂梁、硅桥、微流体通道、腔体等。微三维结构的实现与各向异性腐蚀密切相关。各向异性腐蚀是mems中的一个极其重要的工艺,是指在特定的腐蚀液中,硅在某些晶向上的腐蚀速率很大;相比之下,其他晶向则要缓慢得多,甚至可以认为不腐蚀。根据这种特性,选择适当的工艺流程,可以加工出所需的各种各样的微结构。目前最常用的各向异性腐蚀剂是koh,但随着mems逐步向soc发展(soc为系统芯片,即将cmos电路和微机械结构集成在同一块芯片上,这样将大大提高系统的精度和稳定性),koh已经暴露出一些致命的不足,如溶液中含金属离子,与cmos工艺兼容性差等。tmah在ic工业中是用于vlsi(超大规模集成电路)的腐蚀工艺的,因其优良的性能,正逐渐地进入mems工艺中取代koh,成为微三维结构主要实现方法的腐蚀剂。

2tmah的性质

2.1tmah的主要物理性质

tmah(tetramethy1 ammonium hydroxide)全称为四甲基氢氧化氨,分子式为(ch3)4noh,为无色结晶(常含3,5等结晶水),极易吸潮,在空气中能迅速吸收二氧化碳,130 ℃时分解为甲醇和三甲胺。工艺中通常使用的是10%和25%的水溶液,无色无味。

2.2tmah与其他各向异性腐蚀液的比较

目前在mems工艺中使用的其他各向异性腐蚀剂主要有两类,一类是有机腐蚀剂,主要有epw(乙二胺,邻苯二酸和水)、联胺等;另一类是碱性腐蚀液,主要有koh,naoh,csoh,nh4oh等。这两类腐蚀剂都有缺陷,其中epw和联胺腐蚀性能很好,但因有剧毒,不易操作。koh具有选择性好、腐蚀速度快、表面平整等优点,在工艺中得到广泛的应用,但不足的是koh属于强碱性溶液,会污染环境,且带有金属离子,比较适合后处理工艺。koh和tmah是目前mems工艺中最常用的各向异性腐蚀剂。

系统级芯片(soc)的出现使得上述腐蚀液的缺点更加突出,tmah因其优良的腐蚀性能,正逐渐取代koh和epw等腐蚀液的地位,它具有以下优点:

(1)与cmos工艺兼容,cmos工艺中最致命的杂质就是金属离子,而tmah中不含金属离子,对集成在同一个芯片上的ic电路不造成伤害;

(2)具有与koh接近的腐蚀速度和选择比,腐蚀表面效果好;

(3)不腐蚀sio2和si3n4,可以选用sio2或si3n4作为掩模;

(4)无毒无污染,操作方便。

3实验装置

本实验用50 mm(2英寸)的p型单晶硅片,实验装置如图1所示,使用恒温水浴锅得到稳定的实验温度。各个实验片互相平行放置以减小实验误差。先调节控制面板,设定所需的温度,开始加热,用温度计观察烧杯里的溶液温度,当溶液温度与水浴锅里的温度一致,并达到设定温度时,才将硅片放入。在腐蚀过程中,不断搅拌,使溶液保持流通,防止出现局部溶液浓度过低的现象。

实验还对(100)、(110)、(111)面分别进行腐蚀以得到tmah全面的腐蚀特性。整个实验的工艺流程如下:

a. 标准清洗硅片,用1号液、2号液分别煮沸5 min;

b. 采用干湿氧化,氧化温度为1100 ℃,o2流量为4 l/s,先通干氧10 min,再通湿氧40 min,最后再干氧10 min,sio2的厚度约为500 nm;

c. 采用正胶光刻出方形窗口;

d. buffer溶液腐蚀6 min,将窗口的sio2腐蚀干净,形成良好的台阶,以便测量腐蚀的深度;

e.

邓俊泳1,冯勇建2
(1.厦门大学机电工程系,福建 厦门 361005;2.厦门大学萨本栋微机电研究中心,福建 厦门 361005)
摘要:tmah是一种具有优良的腐蚀性能的各向民性腐蚀剂,选择性好,无毒且不污染环境,最重要的是tmah与cmos工艺相兼容,符合soc的发展趋势。tmah正逐渐替代koh和其他腐蚀液,成为实现mems工艺中微三维结构的主要腐蚀剂。本文着重介绍了tmah的特性、工艺条件及应用。

关键词:四甲基氢氧化氨;各向异性腐蚀;微机电系统

中图分类号:tn405 文献标识码;a文章编号:1671-4776(2003)12-0032-03


1引言

mems是一个多学科、多领域交叉的新兴学科,主要研究传感器、执行机构及微小机械结构。其工艺由ic工艺发展而来,主要包括清洗、氧化、扩散、光刻、腐蚀、气相沉积、封装等。与ic工艺不同的是,mems工艺突破了平面工艺的局限,可实现各种微机械结构。

微三维结构是mems中一个最重要的分支,主要有悬臂梁、硅桥、微流体通道、腔体等。微三维结构的实现与各向异性腐蚀密切相关。各向异性腐蚀是mems中的一个极其重要的工艺,是指在特定的腐蚀液中,硅在某些晶向上的腐蚀速率很大;相比之下,其他晶向则要缓慢得多,甚至可以认为不腐蚀。根据这种特性,选择适当的工艺流程,可以加工出所需的各种各样的微结构。目前最常用的各向异性腐蚀剂是koh,但随着mems逐步向soc发展(soc为系统芯片,即将cmos电路和微机械结构集成在同一块芯片上,这样将大大提高系统的精度和稳定性),koh已经暴露出一些致命的不足,如溶液中含金属离子,与cmos工艺兼容性差等。tmah在ic工业中是用于vlsi(超大规模集成电路)的腐蚀工艺的,因其优良的性能,正逐渐地进入mems工艺中取代koh,成为微三维结构主要实现方法的腐蚀剂。

2tmah的性质

2.1tmah的主要物理性质

tmah(tetramethy1 ammonium hydroxide)全称为四甲基氢氧化氨,分子式为(ch3)4noh,为无色结晶(常含3,5等结晶水),极易吸潮,在空气中能迅速吸收二氧化碳,130 ℃时分解为甲醇和三甲胺。工艺中通常使用的是10%和25%的水溶液,无色无味。

2.2tmah与其他各向异性腐蚀液的比较

目前在mems工艺中使用的其他各向异性腐蚀剂主要有两类,一类是有机腐蚀剂,主要有epw(乙二胺,邻苯二酸和水)、联胺等;另一类是碱性腐蚀液,主要有koh,naoh,csoh,nh4oh等。这两类腐蚀剂都有缺陷,其中epw和联胺腐蚀性能很好,但因有剧毒,不易操作。koh具有选择性好、腐蚀速度快、表面平整等优点,在工艺中得到广泛的应用,但不足的是koh属于强碱性溶液,会污染环境,且带有金属离子,比较适合后处理工艺。koh和tmah是目前mems工艺中最常用的各向异性腐蚀剂。

系统级芯片(soc)的出现使得上述腐蚀液的缺点更加突出,tmah因其优良的腐蚀性能,正逐渐取代koh和epw等腐蚀液的地位,它具有以下优点:

(1)与cmos工艺兼容,cmos工艺中最致命的杂质就是金属离子,而tmah中不含金属离子,对集成在同一个芯片上的ic电路不造成伤害;

(2)具有与koh接近的腐蚀速度和选择比,腐蚀表面效果好;

(3)不腐蚀sio2和si3n4,可以选用sio2或si3n4作为掩模;

(4)无毒无污染,操作方便。

3实验装置

本实验用50 mm(2英寸)的p型单晶硅片,实验装置如图1所示,使用恒温水浴锅得到稳定的实验温度。各个实验片互相平行放置以减小实验误差。先调节控制面板,设定所需的温度,开始加热,用温度计观察烧杯里的溶液温度,当溶液温度与水浴锅里的温度一致,并达到设定温度时,才将硅片放入。在腐蚀过程中,不断搅拌,使溶液保持流通,防止出现局部溶液浓度过低的现象。

实验还对(100)、(110)、(111)面分别进行腐蚀以得到tmah全面的腐蚀特性。整个实验的工艺流程如下:

a. 标准清洗硅片,用1号液、2号液分别煮沸5 min;

b. 采用干湿氧化,氧化温度为1100 ℃,o2流量为4 l/s,先通干氧10 min,再通湿氧40 min,最后再干氧10 min,sio2的厚度约为500 nm;

c. 采用正胶光刻出方形窗口;

d. buffer溶液腐蚀6 min,将窗口的sio2腐蚀干净,形成良好的台阶,以便测量腐蚀的深度;

e.

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