在本研究中,我们设计了一个150mm晶片的湿蚀刻槽来防止硅片的背面蚀刻,并演示了优化的工艺配方,使各向异性湿蚀刻的背面没有任何损伤,我们还提出了300mm晶圆处理用湿浴槽的设计,作为一种很有前途的工艺发展。

KOH硅湿法蚀刻工艺

为了使用KOH对硅进行湿法蚀刻,需要硬掩模,一般情况下,硬面罩采用热处理氧化膜(Thermal oxide)、PECVD SiO2、Si3N4等绝缘膜或aluminum(Al)等金属膜,缺点是Al在去除过程中会产生污染热点,Si3N4作为硬掩膜与KOH反应较少,但后续湿法难以去除,对于氧化膜而言,PECVD沉积的氧化膜比热处理氧化膜在膜质内存在的氢组分多,因此蚀刻率约高2倍。 因此,本研究采用与硅的选择比良好且易于去除的热处理氧化膜作为硬掩膜。

KOH硅湿法蚀刻工艺设计研究

 

KOH硅湿法蚀刻工艺设计研究

进行实验时,在显微镜下观察了硅与KOH的正常反应,如图6,实验在没有单独装置的情况下,对硅进行了蚀刻,确认了晶片背面蚀刻的现象,这使得晶片整体厚度变薄,硅的硬度降低,为了防止此类现象,进行稳定的湿法蚀刻工艺,设计并制作了硅胶后方防蚀刻装置。

KOH硅湿法蚀刻工艺设计研究

常规的薄膜湿法蚀刻装置有梅叶式、布置形式,但布置形式难以保证工艺均匀度,梅叶式不利于长时间蚀刻,因此,为了长时间均匀蚀刻硅,本研究将150 mm晶片用装置以如下条件,图8所示进行了设计和制作,材质采用了耐受KOH的polyether ether ketone(PEEK)。 为了防止溶液泄漏,在晶片外围布置了O-ring,并增加了单独的O-ring,以减少晶片所承受的压力,在此基础上,还设计了防微泄漏溶液的沟槽。

将所开发的装置应用于湿法蚀刻工艺,得到了相同的结果,将150 mm晶片的总厚度610μm稳定地蚀刻出了从最小1 mm 0.5 mm到最大9 mm 9 mm的各种图案,表现出了与前面提到的(1)、(2)中的修饰类似的倾向性。 但选择比存在差异,可能是因为氧化膜生长过程中氢含量的差异。上述结果,通过使用所开发装置的KOH湿法蚀刻工艺,证实了在一个晶片上可以形成多种MEMS用结构。

本研究利用所开发的装置在150 mm硅晶片上进行了湿法蚀刻工艺,开发的装置考虑到MEMS传感器生产率的提高和在实际量产中的可操作性,设计并制造了适用于300毫米晶片的产品,另外,如果将本装置实现层叠式,在今后的MEMS工艺中,在收率及稳定性方面会带来优秀的工艺结果。MEMS装置的制造要求整个晶片必须具有确保图案均匀性和硅硬度的各向异性蚀刻。本研究为此开发了150 mm晶片后防蚀刻装置,实验结果证实了硅能稳定地蚀刻到最大深度610μm。 此外,如果能够设计和制作适合不同晶片尺寸的装置,并采用本研究相同的工艺方法,将会对稳定性及收率的提高做出很大的贡献。

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