湿法蚀刻MEMS硅腔的工艺控制

介绍

硅的各向异性蚀刻是一种定向依存于方向的腐蚀工艺，在材料科学领域中尤其常见。该工艺通常采用水溶液氢氧化钾等碱性腐蚀介质，并结合TMAH及其他羟基化合物进行操作。由于腐蚀速率受晶体取向、腐蚀液浓度及温度高度敏感的影响，在微米级制造技术中具有重要的应用价值。具体而言，在微电子机械系统（MEMS）中，<100>晶圆片上的各向异性蚀刻是实现三维微纳结构不可或缺的关键工艺环节。这些微纳结构包括用于电子元件制造的各种型腔（如晶体管中的V型沟槽）、用于喷墨打印技术的小孔以及用于MEMS压力传感器中的测膜组件等。然而目前尚不清楚其完整的反应机理，相关物理与化学模型尚未完全建立。随着MEMS技术在各个领域的广泛应用需求不断增加，在预测与建模方面已引起学界越来越多的关注

在本研究中对晶片进行了稀TMAH处理并对之进行了雕刻与下图所示类似深度空间腔体构造对比观察此次实验的主要目的是为了探索该工艺对材料性能及断裂韧性的影响在此过程中我们发现当采用传统方法进行操作时存在诸多不足为此我们特意设计了一种新型检测系统

实验

湿处理工艺通过预设的自动化湿处理系统在GAMA™全自动化湿处理站上实施。该过程采用具有典型空腔结构的200毫米圆形芯片作为主要材料。实验中使用TMAH作为碱性刻蚀剂，并能够实现最高刻蚀速率的要求。硅片在阿克核粒子系统的预设原位化学浓度控制体系下完成硅层腐蚀操作。为了监控腐蚀效果，在实验周期内定期采集浸洗液样品进行滴定测试，并与NIR结果进行对比分析。整个实验过程设定一致的关键参数指标，在严格控制腐蚀速度的前提下实现对样品的有效腐蚀。

结果和讨论

从图1可以看出，在实际操作中TMAH的消耗显著低于预期值。根据理论模型，在260分钟时系统应达到最低反应活性水平；然而，在过程开始后约540分钟才达到这一最低点状态（约为理论预测时间的两倍）。基于此观察结果提出了一个新的理论模型来更精确地拟合实验数据集。新模型假设每摩尔硅只消耗1摩尔TMAH（比原先基于方程1的2:1比例有所降低），而原有理论模型并未考虑到这一点；由此可知，在现有方程1描述硅表面反应机制时存在明显不足之处：实际上该反应涉及多个复杂步骤而非单一过程；因此基于现有假设无法全面解释实验现象

在图2中展示的结果表明，在不同负载规模下实现了等效的 etching 速率。然而，在 despite 虽然 etching 速率保持一致的情况下，并未忽视气泡所形成的局部 etching 模式。

图3展示了两种不同蚀刻深度表面的层流特性。然而，在实际测试晶片中发现，在不同蚀刻深度下呈现出显著外观变化。图4a在250微米深度处呈现光滑均匀状态，在500微米时则呈现出马蹄形特征。这些观察结果与CFD模拟预测存在差异，并突显出这类结构内部流动动态特性的复杂性。显然，在这种情况下，在腔体内逐渐发展出局部涡旋，这种涡旋的存在显著影响了整体加工效果的一致性。为此,Akrion开发了一种独特的加工工艺方案,使得加工过程中晶圆表面及腔体区域内部都能实现更为均匀稳定的流动状态,从而实现了更为理想的一致性特征

图1. TMAH浓度模型（2：1）vs实践

图2. H2一代的硅蚀率与晶片负载

图3. 当前测试配置的CFD模型包含以下三个部分：a) 模拟流场图；b) 采用300微米级 etching工艺；c) 采用450微米级 etching工艺

图4. 不同蚀刻深度的空腔的自上而下的图片：1)250µm和b)500µm

结论

结果表明，在赤克粒子系统的恰当晶片工艺下，在避免H₂气泡附着于表面的同时实现了均一性的蚀刻效果。然而，在蚀刻深度逐渐加深的过程中，则逐渐显现了腔内流动动力学的重要性特征；通过观察腔内硅表面外观的变化情况便能对此作出判断。这些局部化的流场模式可以通过采用赤天星开发的专用方法加以抑制优化；采用闭环浓度控制系统则能最大限度地减少TMAH的需求量的同时仍可维持所需的蚀刻效率；这样一来不仅减少了被丢弃到废物流中的化学品数量而且也在一定程度上降低了整个过程所伴随的成本负担