當前MEMS壓力傳感器在汽車、醫療等領域的應用廣泛，其中應力敏感薄膜的厚度是影響傳感器性能的關鍵一，因此刻蝕深度合格且均勻性良好的薄膜至關重要。費曼儀器作為薄膜測量技術革新者，致力于為全球工業智造提供精準測量解決方案。Flexfilm探針式臺階儀進行刻蝕深度測試，進行表面粗糙度、表面形貌及均勻性的調控，直接支撐刻蝕深度與均勻性的精準評估。本研究聚焦四甲基氫氧化銨（TMAH）溶液對硅片刻蝕角度、刻蝕溫度對硅深槽速率、硅深槽均勻性的影響，并創新性地通過水浴處理工藝改善表面形貌，準確控制應力薄膜的厚度。

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實驗方法

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硅片使用厚度400 μm，N型<100>晶向，電阻率為1–10 Ω·cm的雙拋面薄片。TMAH溶液為25%正膠顯影液。使用臺階儀進行刻蝕深度測試，掃描電子顯微鏡進行硅槽平面和剖面形貌測試。

TMAH刻蝕的硅槽結構

本文選擇<100>晶向硅片，預留長方形刻蝕窗口的兩鄰邊分別平行于< -110 >和< 110 > 晶向，得到側壁為<111>面．底面為<100>面，夾角等于53.56°的杯狀硅槽結構。

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臺階儀量化刻蝕深度

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溫度-時間-刻蝕速率折線圖

濕法刻蝕硅深槽的速率受刻蝕溫度、刻蝕液濃度、刻蝕液循環速度等較多因素影響，其中刻蝕溫度對速率影響最大，本文分析了在 60、70、80、90 ℃條件下的刻蝕速率。

通過臺階儀對刻蝕后的硅片深度測試發現，當TMAH溶液刻蝕溫度每上升10 ℃，硅槽刻蝕速率大約增長 0.5~1 倍：

60 ℃時刻蝕速率較慢，速率穩定在 6.7~6.8 μm/h；

70、80 ℃時，刻蝕速率逐步穩定至 15~16 μm/h、19~22 μm/h；

在作業溫度為 90 ℃，由于高作業溫度導致的高刻蝕速率，能夠迅速地完成表面本征氧化層刻蝕，因此其 1~7 h 刻蝕速率穩定在 26~27 μm/h，隨后因高溫加速刻蝕液揮發，造成刻蝕速率快速下降。

臺階儀量化不同方向的刻蝕深度

各向異性分析表明，80°C時縱向刻蝕深度200.15 μm，橫向134.42 μm，保障53.56°側壁角度。

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臺階儀驗證均勻性優化

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刻蝕溫度對硅深槽形貌也有很大影響，此濕法硅槽刻蝕溫度設定在70~80 ℃最為適宜。

薄膜厚度均勻性是刻蝕硅深槽的一個關鍵指標，分為單槽內厚度均勻性和片內厚度均勻性，其均勻性計算公式為：

其中 U 為薄膜厚度均勻性，hmax為刻蝕后剩余薄膜厚度最大值，hmin為刻蝕后剩余薄膜厚度最小值，have為刻蝕后剩余薄膜厚度均值。

臺階儀驗證刻蝕均勻性分布

在80 °C條件下，臺階儀測量關鍵均勻性參數：

單槽均勻性：刻蝕深度380.13–380.33 μm（目標380.0μm），計算得U = 0.039%；

片內合格率：150點位中92.67%符合標準（379.4–380.6 μm），僅11點超差；

表面形貌支撐：SEM顯示80 °C時槽底無凹坑（對比90 °C的密集缺陷），與臺階儀的低粗糙度數據一致（均方根差0.122）。

本文用 25%濃度的 TMAH 溶液刻蝕硅深槽結構，從晶向角度分析了硅深槽刻蝕的原理，得出刻蝕角度為53.36°的結論，并在 60、70、80、90 ℃作業溫度條件下進行了刻蝕形貌拉偏試驗，通過臺階儀深度測試等方式進行了刻蝕結果對比，得出在80 ℃的作業條件下，有著良好形貌和均勻性，單片片內達到92.67%的高合格率，實現對硅表面結構進行納米級控制，較好的滿足了當前行業對MEMS器件中應力敏感薄膜的要求。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數，對各種薄膜臺階參數的精確、快速測定和控制，是保證材料質量、提高生產效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉θ平臺結合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

費曼儀器的產品已廣泛應用于MEMS器件領域，精準控制納米至微米級薄膜的均勻性，Flexfilm探針式臺階儀可以精準量化TMAH溫度對硅槽刻蝕的調控作用，支撐了高平整度應力敏感薄膜的制備，滿足MEMS傳感器對刻蝕深度的嚴苛要求。

原文參考：《四甲基氫氧化銨溶液溫度對硅槽刻蝕的研究》

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