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（ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙ１ａｍｍｏｎｉｕｍｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）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５ｍｉｎ；

ｂ．采用干湿氧化，氧化温度为1100 ℃，ｏ２流量为４ｌ／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６ｍｉｎ，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．