TMAH单晶硅腐蚀特性研究

TMAH是一种具有优良的腐蚀性能的各向异性腐蚀剂,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。     

四甲基氢氧化铵在MEMS中的应用

通过各向异性腐蚀硅杯实验,研究了四甲基氢氧化铵（TMAH）腐蚀液的特性,包括硅（100）面腐蚀速率与溶液浓度、温度的关系,不同腐蚀条件下硅杯的表面状况,并确定了制作硅杯的最佳工艺条件。通过测试硅杯结构多晶硅压力传感器的输出特性,证明了TMAH确实是一种性能优良的各向异性腐蚀剂。     

TMAH+Triton中Si湿法腐蚀机理研究现状

在微机电系统(MEMS)领域硅各向异性湿法腐蚀是制作许多元器件的一项重要技术,加入非离子型表面活性剂的腐蚀液可以在硅基片上制作出各种形状,但是对于真正的腐蚀机理还有待进一步研究。介绍了硅湿法腐蚀机理的研究现状,通过不同腐蚀条件下得出的不同腐蚀结果分析其腐蚀机理。介绍了当非离子型表面活性剂加入碱性溶液时固体表面的活性剂吸附层结构,重点介绍了表面活性剂Triton X-100加入各向异性碱性腐蚀剂四甲基氢氧化铵(TMAH)后对活性剂吸附状态和硅腐蚀速率产生影响的根本原因。不同晶向硅表面的H基和OH基数量会影响其表面活性剂的吸附能力,硅在纯TMAH腐蚀液和加入活性剂Triton后的TMAH腐蚀液中的腐蚀速率存在一定差异,高质量分数的TMAH下加入不同体积分数的Triton时,不同晶面在活性剂吸附和腐蚀速率上也存在不同,给出了出现这些现象的机理分析。研究硅腐蚀机理可以为器件设计提供有效的理论支持,有助于制作更多新的MEMS结构。     

硅基热电堆真空传感器的制造技术

发展了一种与CMOS工艺完全兼容并可在商业化的1.2μm标准CMOS生产流水线上进行流片的硅基热电堆真空传感器的制造技术与流程.传感器为悬浮的多层复合薄膜结构,其上制作了n型多晶硅加热器和20对由p型多晶硅条和铝条构成的热电堆.利用标准制造工艺中铝层图形的掩蔽作用,使用干法刻蚀工艺一方面去除了传感器表面的SiNx层,使复合介质薄膜减至三层介质,即场氧化层、硼磷硅玻璃和层间介质,从而提高了传感器响应率;另一方面去除了传感器区域内腐蚀孔中的多层介质,将其中的硅衬底裸露,以便完成后续的四甲基氢氧化铵(TMAH)体硅各向异性腐蚀工艺,使传感器成为悬浮绝热结构,这种工艺具备铝保护性能,因此腐蚀中无需任何掩模.最终得到的器件尺寸为124 μm×100 μm,在空气压强为0.1 Pa～105 Pa之间的响应电压为26 mV～50 mV,响应时间为0.9 ms～1.3 ms.这种器件的制造技术具有工艺简单、成品率高、成本低、重复性好等特点.     

Ar离子激光增强硅各向异性腐蚀速率的研究

研究了Ａｒ离子激光器与硅各向异性腐蚀技术相结合制造硅杯的方法。结果表明，激光照射能增强浸于ＫＯＨ溶液中硅的化学腐蚀速率，在入射光强为４．６Ｗ，ＫＯＨ溶液浓度为０．２２ｍｏｌ，温度为９０℃的条件下，得到＜１００＞硅的腐蚀速率为２１μｍ／ｍｉｎ，是无激光照射时硅各向异性腐蚀速率的多倍。进而讨论了硅在ＫＯＨ溶液中腐蚀速率对激光光强的依赖关系以及实验温度对腐蚀速率的影响问题。     

用硅的各向异性腐蚀工艺制备发射硅尖阵列

本文介绍了真空微电子器件场发射阴极硅尖阵列的制备工艺技术。采用硅的各向异性腐蚀工艺和氧化削尖技术制成了形状和发射性能均较好的硅尖阵列，测试结果表明，起始发射电压为５～６Ｖ，发射电流在阳极电压为２０Ｖ时为０．５ｍＡ，反向击穿电压为７５Ｖ。     

基于TMAH溶液的PN结自停止腐蚀的研究

MEMS器件的性能与尺寸密切相关.介绍了一种精确控制器件尺寸的各向异性腐蚀方法--基于改进TMAH溶液的PN结自停止腐蚀.这种方法几乎不刻蚀铝,从而与CMOS工艺良好地兼容.应用这种办法正面腐蚀,成功释放结构,尺寸与设计比较符合,证明了这种方法的可行性及易操作性.     

测定硅各向异性腐蚀速率分布的新方法

介绍了一种测定硅各向异性腐蚀速率分布的新方法.硅各向异性腐蚀速率三维分布可由一系列晶面上的二维腐蚀速率分布表示.利用深反应离子刻蚀技术(DRIE)在{0mn}硅片上制作出侧壁垂直于硅片表面的矩形槽,测量槽宽度在腐蚀前后的变化,就可测定各{0mn}面上的二维腐蚀速率分布.将二维腐蚀速率分布组合在一起就得到了三维腐蚀速率分布.由于DRIE制作的垂直侧壁深度大,可耐受较长时间的各向异性腐蚀,所以只需使用一般的显微镜就能得到准确的结果.实验得到了40%KOH和25%TMAH中{n10}和{n11}晶面的腐蚀速率分布数据     

硅各向异性腐蚀速率图的模拟

利用数学软件 MATLAB,对三维中的向量进行插值计算。根据硅各向异性腐蚀特点 ,构造出了一个完整的硅各向异性腐蚀速率图。模拟结果与已有的实验数据进行了比较 ,说明这种方法可以用来模拟硅各向异性腐蚀速率     

MEMS工艺中TMAH湿法刻蚀的研究

TMAH具有刻硅速率高、晶向选择性好、低毒性和对CMOS工艺的兼容性好等优点,而成为MEMS工艺中常用的刻蚀剂。但TMAH在刻蚀过程中合形成表面小丘,影响表面光滑性。文章重点研究了MEMS工艺中的TMAH湿法刻蚀获得光滑刻蚀表面的工艺。实验结果表明,要获得理想的刻蚀效果,刻蚀液配方和刻蚀条件的选择是非常重要的因素,实验中也得到了一些与其它报道不同的数据。     

过硫酸铵在TMAH体硅刻蚀中的作用

为了提高低浓度下四甲基氢氧化铵(TMAH)体硅刻蚀的质量,通过对质量分数为5%的TMAH进行研究,发现合适的过硫酸铵(AP)添加方式和添加量能够在不降低刻蚀速率的条件下提高体硅刻蚀质量。通过SEM,EDS和XRD对AP的作用机理进行深入分析,发现加入AP能使刻蚀底面生成"伪掩膜",并确定其成分为低温石英晶体。这些"伪掩膜"能够选择性地覆盖于刻蚀底面金字塔小丘的交界区域,使刻蚀底面相对凹陷的部分被保护,而金字塔顶相对凸出的部分则被刻蚀,从而在宏观上达到了降低粗糙度的效果。在此基础上得到了"两步法"的优化刻蚀工艺,结合该工艺已成功制备出深度485μm,平均刻蚀速率1.01μm/min,底面粗糙度仅为0.278μm硅杯微结构。     

Study of electrochemical etch-stop for high-precision thickness control of single-crystal Si in aqueous TMAH : IPA : pyrazine solutions

In this paper, we describe a method of controlling the thickness of single-crystal Si membranes, fabricated by wet anisotropic etching in aqueous tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH) : isopropyl alcohol (IPA) : pyrazine solutions. The Si surface of the etch-stopped microdiaphragm is extremely flat with no noticeable taper or nonuniformity. The benefits of the electrochemical etch-stop method for the etching of n epilayer-embedded p-type single-crystal Si(0 0 1) wafers in aqueous TMAH became apparent when the reproducibility of the microdiaphragm’s thickness in mass production was realized. The results indicated that the use of the electrochemical etch-stop method for the etching of Si in aqueous TMAH provided a powerful and versatile alternative process for the fabrication of high-yield Si microdiaphragms (20 ± 0.26 μm s.d). With etch-stop, the pressure sensitivity of devices fabricated on the same wafer can be controlled to within ±2.3% s.d.     

High-performance PIN photodiodes on TMAH thinned silicon wafers

The electro-optical characteristics of PIN photodiodes fabricated on high-resistivity silicon substrates locally thinned by bulk micromachining techniques are discussed. Experimental results and numerical simulations demonstrate that devices fabricated by the proposed approach have leakage current, quantum efficiency and speed performance comparable to the best commercially available Si PIN photodiodes, with the additional advantage of possible back-side illumination, making them suitable for the implementation of two-dimensional arrays having a read-out electronic chip connected to the front-side.     

Etch characteristics of KOH, TMAH and dual doped TMAH for bulk micromachining of silicon

High precision bulk micromachining of silicon is a key process step to shape spatial structures for fabricating different type of microsensors and microactuators. A series of etching experiments have been carried out using KOH, TMAH and dual doped TMAH at different etchant concentrations and temperatures wherein silicon, silicon dioxide and aluminum etch rates together with <100> silicon surface morphology and <111>/<100> etch rate ratio have been investigated in each etchant. A comparative study of the etch rates and etched silicon surface roughness at different etching ambient is also presented.From the experimental studies, it is found that etch rates vary with variation of etching ambient. The concentrations that maximize silicon etch rate is 3% for TMAH and 22 wt.% for KOH. Aluminum etch rate is high in KOH and undoped TMAH but negligible in dual doped TMAH. Silicon dioxide etch rate is higher in KOH than in TMAH and dual doped TMAH solutions. The <111>/<100> etch rate ratio is highest in TMAH compared to the other two etchants whereas smoothest etched silicon surface is achieved using dual doped TMAH. The study reveals that dual doped TMAH solution is a very attractive CMOS compatible silicon etchant for commercial MEMS fabrication which has superior characteristics compared to other silicon etchants.     

Experimental study and analysis of corner compensation structures for CMOS compatible bulk micromachining using 25 wt% TMAH

In the present work, most common compensation structures (〈1 1 0〉 squares and 〈1 0 0〉 bars) have been used for convex corner compensation with 25 wt% TMAH-water solution at 90±1 °C temperature. Etch flow morphology and self-align properties of the compensating structures have been investigated. For 25 wt% TMAH water solution {3 1 1} plane is found to be responsible for corner undercutting, which is the fast etch plane. Etch-front-attack angle is measured to be 24°. Generalized empirical formulas are also discussed for these compensation structures for TMAH-water solution. 〈1 1 0〉 square structure protects mesa and convex corner and is the most space efficient compared to other compensation structures, but unable to produce perfect convex corner as 〈1 0 0〉 bar type structures. Both the 〈1 0 0〉 bar structures provide perfect convex corners, but 〈1 0 0〉 wide bar structure is more space efficient than the 〈1 0 0〉 thin bar structure. Implications of these compensation structures with realization of accelerometer structure have also been discussed. A modified quad beam accelerometer structure has been realized with these compensation structures using 25 wt% TMAH.     

等离子体横向刻蚀硅的特性研究

研究了用SiO2 +Al作掩模 ,SF6 +O2 混合气体等离子体对Si的横向刻蚀 ,其结果表明 ,在SF6 +O2 等离子体气氛中 ,Al是很好的保护膜 ,可以在待悬浮器件下形成大的开孔。因此 ,预计用这种技术 ,可以在Si片上集成横向尺寸为数百微米 ,具有优良高频性能的MEMSRF/MW无源器件 ,如开关、传输线、电感和电容等。