引言

在濕法各向異性蝕刻中，底切凸角的蝕刻輪廓取決于蝕刻劑的類型。已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究來解釋這種凸角底切并確定底切平面的方向。然而，還不清楚為什么不同蝕刻劑會(huì)出現(xiàn)不同形狀的底切前沿。

此外，沒有關(guān)于KOH和TMAH中底切凸角的不同形狀的描述性解釋。本文對(duì)Si{晶片表面的角底切進(jìn)行了深入研究。對(duì)兩種不同類型的蝕刻劑(KOH和TMAH)檢查了底切行為。通過分析掩模圖案上不同種類的凸角的蝕刻特性來進(jìn)行研究。掩模設(shè)計(jì)中的一種類型的拐角由< 110 >方向形成，而其它類型的拐角也形成通過不同方向的交叉，形成底切凸角輪廓。此外，使用硅半球的蝕刻速率數(shù)據(jù)的等高線圖清楚地解釋了凸角處蝕刻劑相關(guān)的傾斜方向的出現(xiàn)。

介紹

硅濕法各向異性刻蝕廣泛應(yīng)用于體微機(jī)械加工以制造微結(jié)構(gòu)，特別是對(duì)于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)應(yīng)用。氫氧化鉀(KOH)和四甲基氫氧化銨(TMAH)是兩種最廣泛使用的各向異性蝕刻劑9,10]。兩者各有利弊。KOH提供了非常高的R{100}/R{111}比，其中R是相應(yīng)平面的蝕刻速率，但是它在Si和SiO2之間表現(xiàn)出非常差的選擇性。此外，它與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝不兼容。與KOH相反，TMAH與CMOS兼容，并且在Si和SiO2之間提供非常好的選擇性，但是蝕刻速率比R{100}/R{111}低于KOH的蝕刻速率比9.使用濕法各向異性蝕刻制造基于硅的MEMS部件經(jīng)常涉及凸角和凹角。在蝕刻過程中，在凸角處發(fā)生嚴(yán)重的底切，而在凹角處不發(fā)生底切[3,5,11].由于凸角處的嚴(yán)重底切，具有尖銳凸角的微結(jié)構(gòu)。

難以用規(guī)則的掩模圖案制造。為了制造具有尖銳凸角的微結(jié)構(gòu)，已經(jīng)提出了在掩模圖案中的凸角處添加不同形狀的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)12–27].蝕刻過程中凸角處不同晶面的出現(xiàn)是一種蝕刻劑相關(guān)的現(xiàn)象。TMAH和KOH中的底切凸角的蝕刻形狀示意性地表示在圖中1分別為(a)和(b)。在TMAH的情況下，主要一種類型的平面出現(xiàn)在底切凸角處(即平面A1 ),而在基于KOH的蝕刻的情況下，在底切之后暴露兩個(gè)不同取向的平面(即平面B1和C1 [27–29]).已經(jīng)報(bào)道了幾個(gè)模型和實(shí)驗(yàn)研究來解釋凸角處的底切現(xiàn)象28–36].然而，這些模型主要集中于解釋根切的原因或確定根切平面的指數(shù)。它們沒有解釋為什么底切具有如圖所示的包含依賴于蝕刻劑的鈍角的特殊形狀1。此外，TMAH中一種平面的出現(xiàn)和KOH溶液中一種以上平面的出現(xiàn)沒有詳細(xì)討論。

在這項(xiàng)工作中，通過在Si{100}晶片上腐蝕不同種類的掩模圖形，實(shí)驗(yàn)研究了KOH和TMAH中凸角處的腐蝕輪廓。然后使用掃描電子顯微鏡(SEM)和3D掃描光學(xué)顯微鏡徹底研究它們。對(duì)來自不同蝕刻劑的不同形狀的蝕刻輪廓的出現(xiàn)給出了解釋，并且使用硅半球的蝕刻速率數(shù)據(jù)和方法解釋了底切的特殊形狀的原因。

結(jié)果和討論

兩種廣泛使用的取向的蝕刻速率和{100}表面上底切凸角處的斜角(α)(圖3)在25重量% TMAH和35重量% KOH中在76±1℃下的濃度列于表中1。如前所述，從表中可以看出1與TMAH溶液相比，KOH顯示出高蝕刻速率。在KOH蝕刻的情況下，底切方向與< 110 >方向成30±1°角(即斜角)，而當(dāng)在TMAH中進(jìn)行蝕刻時(shí)，它成25±1°角，如圖所示3。

如前一節(jié)所述，掩模設(shè)計(jì)中包括不同角度的凸角，以研究底切形狀隨蝕刻劑的變化。凸角的角度在120°到160°之間變化，增量為2°。垂直于掩模邊緣(即CD或CB)對(duì)角C的不同夾角測(cè)量的底切(圖2 和4(a))在25重量% TMAH中的蝕刻深度為19.04 μm，在35重量% KOH中的蝕刻深度為50.3 μm

兩種廣泛使用的取向的蝕刻速率和{100}表面上底切凸角處的斜角(α)(圖3)在25重量% TMAH和35重量% KOH中在76±1℃下的濃度列于表中1。如前所述，從表中可以看出1與TMAH溶液相比，KOH顯示出高蝕刻速率。在KOH蝕刻的情況下，底切方向與< 110 >方向成30±1°角(即斜角)，而當(dāng)在TMAH中進(jìn)行蝕刻時(shí)，它成25±1°角，如圖所示3。

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給出了在34 wt% KOH和25 wt% TMAH溶液中不同平面的蝕刻速率的等高線圖。如果我們仔細(xì)分析蝕刻速率輪廓，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)底切方向在2°范圍內(nèi)變化，如白色虛線所示。如討論和附圖所示6(a)和(c)中，當(dāng)在KOH中進(jìn)行蝕刻時(shí)，我們?cè)?48–152角的邊緣底部遇到另一種類型的平面。這些底部平面的蝕刻速率略大于頂部平面的蝕刻速率。這種變化導(dǎo)致朝向底部的額外平面的出現(xiàn)，導(dǎo)致表面粗糙。相反，當(dāng)在TMAH中進(jìn)行蝕刻時(shí)，主要出現(xiàn)一種平面，如圖所示6(a)和(c)用于TMAH。這也可以用不同平面的腐蝕速率來解釋，如圖所示7(a)-二。底切的夾角在140°±2°之間變化。因此，底切方向的區(qū)域軸相對(duì)于< 110 >方向在±25°范圍內(nèi)變化，如白色虛線所示。在該光譜中，區(qū)域軸上的平面具有高蝕刻速率，位于鞍點(diǎn)周圍的平面出現(xiàn)在底切處。
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