微电子机械系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)是在成熟的微电子设计和加工技术的基础上发展起来的一项新兴技术,它是以微电子、微机械及材料科学为基础,研究并制造具有特定功能的微型装置,并将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统、数字处理系统集成为一个整体单元的微型系统^[1]。它结合了可动机械结构和大规模、低成本、微电子加工的优点,在微小尺度上实现与外界电、热、光、声、磁等信号的相互作用。MEMS主要是用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、光刻电铸注塑和晶片键合等技术)相结合的制造工艺,制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统^{[2, 3, 4, 5]}。MEMS是各种设备小型化的发展方向,是近年来发展起来的一种新型多学科交叉技术,它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等学科。它将像二十世纪的微电子技术一样,对人们的生活和工作产生革命性的影响。

硅腐蚀技术是硅微机械加工中最基础、最关键的技术,它通常有两种:干法腐蚀和湿法腐蚀。根据腐蚀剂的不同,硅的湿法腐蚀又可以分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀^{[6, 7, 8, 9]}。各向异性腐蚀则是指根据硅的不同晶向具有不同的腐蚀速率从而刻蚀出特定的槽结构^{[10, 11, 12, 13, 14, 15]},同时硅的各向异性腐蚀速率还与腐蚀剂类型、配比、反应温度等各参数有关。与干法刻蚀相比,湿法腐蚀工序在成本、速度、性能等方面更有优势。本文针对硅基槽刻蚀技术,对硅基周期槽刻蚀的工艺进行详细的研究。

本文是在硅的各向异性腐蚀的基础上研究周期槽机构的刻蚀工艺以及腐蚀过程中搅拌所起的重要作用。硅的各向异性腐蚀是指腐蚀剂对硅的不同晶面具有不同腐蚀速率的一种硅加工工艺,这种腐蚀速率的各向异性是由硅的晶体学特性决定的。KOH、NaOH等这类刻蚀剂在(100)面方向的刻蚀速率比(111)面方向要快100倍,当(100)面上的硅被二氧化硅覆盖时,在腐蚀完全的条件下,这种有方向性的刻蚀剂会使硅表面产生精确的V形槽,槽的边缘是(111)面,与(100)面的夹角为54.7°,而在腐蚀不完全的条件下,硅表面则会产生梯形槽。图 1为各向异性腐蚀示意图。

图 1

Fig. 1

图 1 硅各向异性腐蚀示意图 Fig. 1 The anisotropic etching of silicon

槽宽W₀和槽高d存在对应关系如下:

式中W_b为未腐蚀完全的梯形槽的底部宽度。

硅在KOH腐蚀溶液中的蚀刻反应式如下:

由上述反应方程式可以得知,KOH首先将硅氧化成含水的硅化合物,然后与异丙醇反应,形成可溶性的硅络合物,这种络合物不断离开硅的表面,此过程中水的作用是为氧化过程提供OH^-。

本实验采用2 cm×2 cm P型(100)单晶硅单面抛光硅片作为基片,其电阻率为0.001~0.005 Ω·cm,在基片表面生长1.5 μm的SiO₂作为掩膜层,因为在KOH腐蚀溶液中,SiO₂的刻蚀速率远远小于Si。实验前为了保证样品具有较高的清洁度,首先将硅基片进行超声波清洗:去离子水10 min——甲醇15 min——丙酮30 min——甲醇10 min——去离子水5 min——去离子水5 min。

接下来在硅片表面涂光刻胶,实验中采用的光刻胶为正胶AZp4620。硅片表面的水分会使光刻胶产生针孔和气泡,导致光刻图形飘移,因此在涂胶前必须先将硅片置于2 100 ℃的烘箱中30 min。同时,刚烘完的硅片不应立即涂胶,应放置一段时间,等基片的温度与室温相差不大时再进行静态滴胶,否则会出现光刻胶收缩现象。然后进行软烘焙、对准曝光、显影、后烘等步骤。刻蚀工艺流程示意图如图 2所示。

图 2

Fig. 2

图 2 刻蚀工艺流程示意图 Fig. 2 The process of anisotropic etching

(1)软烘焙(前烘)

此烘焙的主要作用是促进胶膜内溶剂充分挥发,使胶膜干燥,增加胶膜的粘附性及耐磨性。此过程中主要影响因素为时间和温度。若烘焙不足(温度太低或时间太短),则显影时易浮胶,图形变形;烘焙时间过长,增感剂挥发,导致曝光时间增长,甚至显示不出图形;烘焙温度过高,光刻胶粘附性降低,光刻胶中的感光剂发生反应(胶膜硬化),不易溶于显影液,导致显影不干净。

(2)对准和曝光

这一步骤主要是保证光刻胶上形成精确的图形尺寸,从而所制作的器件具有更好的性能。所以,涂好光刻胶后,第一步是把所需图形在光刻胶表面上准确定位或对准。第二步是通过曝光将图形转移到光刻胶涂层上。

(3)显影

显影就是将未感光的负胶或感光的正胶去除,显示出所需要的图形。若显影时间过短,可能有少量光刻胶残留,不能得到完整的光刻图形;若显影时间过长,引起光刻胶软化、膨胀、浮胶,可能导致图形边缘破坏。影响显影效果的因素还有前烘的温度和时间、胶膜的厚度、显影液的浓度、显影液的温度。

(4)后烘

后烘能使软化、膨胀的胶膜与硅片粘附更牢,增加胶膜的抗刻蚀能力。若后烘不足,则腐蚀时易浮胶,易侧蚀;若后烘过度,胶膜热膨胀,导致翘起脱落,腐蚀时也会浮胶。

通过多次实验探究,得到最佳的光刻参数为前烘100 ℃ 3 min,曝光时间为71 s,显影时间为2 min,后烘120 ℃ 3 min。在光学显微镜下的周期槽光刻效果图如图 3所示。

图 3

Fig. 3

图 3 周期槽光刻图 Fig. 3 The lithography graph of the periodic groove structure

光刻完成后将进行工艺流程中最关键的一步,即腐蚀。本实验采用的腐蚀溶液配比KOH : H₂O : IPA(异丙醇)=3 : 6 : 1,腐蚀温度80 ℃。

在各向异性腐蚀前,对样品进行预处理是至关重要的,即利用HF缓冲液(HF : H₂O=1 : 6)去除腐蚀窗口表面的SiO₂氧化层,使硅能充分而快速接触腐蚀液,预处理时间为6 min。然后将预处理的硅片放置于已完成配比的腐蚀液中进行腐蚀,并且腐蚀装置置于水浴锅中,便于腐蚀过程中温度的控制。为了观察搅拌对腐蚀结果的影响,选用相同的两个样品进行实验。对于样品1,在腐蚀过程中不给予搅拌;对于样品2,在腐蚀过程中给予充分的搅拌。两个样品的腐蚀时间相同,都为75 min,腐蚀装置为塑料量筒。腐蚀完成后分别将样品1和样品2放置于干净烧杯中,用去离子水超声清洗10 min,去除表面残留的腐蚀液。然后在电子扫描电镜下观察样品1和样品2的表面特征。

如图 4所示,(a)和(b)分别是在电子扫描电镜(SEM)下观察到的腐蚀过程中给予未搅拌、搅拌的样品表面特征图。可以从图中观察到经过搅拌的腐蚀样品比未搅拌的样品表面平整光滑,未经过搅拌的实验样品表面较为粗糙,出现了大小不一、分布不均的锥状物,而经过搅拌的实验样品表面平整光滑。

图 4

Fig. 4

图 4 SEM样品图 Fig. 4 The SEM graph of the samples

为了进一步说明搅拌在腐蚀过程中起到的重要作用,我们增加了样品图案复杂程度,通过增大搅拌速率来观察所得样品的表面特征。如图 5所示,在腐蚀过程中增加搅拌速率,周期谐振环结构表面极度光滑平整、几乎没有锥状小丘的生成。这是由于在刻蚀过程中,生成的氢气气泡吸附在硅片表面,形成“伪掩膜”面而产生锥形小丘,致使表面粗糙。然而,在腐蚀过程中采用搅拌步骤,可以增加腐蚀溶液的流通性,从而带走部分生成的气泡,减少“小丘”的产生。

图 5

Fig. 5

图 5 SEM样品图 Fig. 5 The SEM graph of the samples

与此同时,我们还研究了在搅拌的条件下硅腐蚀深度与腐蚀时间的关系,如图 6所示。随着反应时间的增加,槽的深度增加,二者几乎呈线性增加,这是由于在搅拌的条件下,腐蚀各部分的溶液浓度比较均匀,反应过程中的气体不易生成气泡附着在硅表面,使得腐蚀反应较为稳定地进行。由图 6(a)可以观察到硅在该实验条件下的腐蚀速度约为0.26 μm/min,当反应时间增加到75 min时,样品刻蚀至底部,形成V型槽,图 6(b)为电子扫描电镜下观察到的样品横截面图。

图 6

Fig. 6

图 6 深度与腐蚀时间关系图和样品横截面SEM图 Fig. 6 The relationship of groove depth and etching time and the SEM graph of the sample cross section

本文在硅的各向异性腐蚀的基础上,研究了硅基周期结构槽的湿法刻蚀工艺流程,观察到搅拌在硅基周期槽制备中的重要作用。通过搅拌,腐蚀溶液的流通性增强,呈“伪掩膜”的气泡不易残留在样品表面,从而硅能更好地与腐蚀溶液反应,进而制备出的周期槽结构样品表面光滑平整,几乎无锥状的“小丘”生成。与此同时,总结出了在搅拌的条件下槽深与反应时间的关系。这一工艺研究解决了湿法腐蚀工艺中样品表面粗糙度的问题,可为MEMS元器件的制作提供参考。