用兆声搅拌模块改湿刻蚀的特性

近年来，小尺寸、轻重量、低生产成本和可再现的可制造性的器件变得非常重要。通过湿法蚀刻单晶硅或玻璃的微机械加工可以符合这些严格的要求。硅或玻璃的湿法蚀刻是体微机械加工的关键技术，用于生产微器件，如压力传感器的隔膜、光纤对准的V形槽和生物芯片的微通道。

随着微机电系统市场的增长，基于湿法刻蚀的体微操作的精确控制越来越受到关注。特别是，蚀刻表面的粗糙度变化可能是微机电系统器件商业化中最主要的因素之一。此外，为了通过使用粘合技术组装微机械零件来制造微器件，需要光滑且无缺陷的表面。

为了改善湿法刻蚀的特性，制作了兆频超声波搅拌组件。在本方法中，在有和没有兆频超声波搅动的湿法蚀刻过程中，研究了MAM的特性。MAM的使用改善了湿法蚀刻的特性，例如蚀刻速率、蚀刻均匀性和表面粗糙度。特别地，在硅和玻璃两种情况下，整个晶片上的蚀刻均匀性都小于1%。通常，单晶硅的初始均方根粗糙度(Rrms)小于0.5 nm。一些研究者通过磁力搅拌和超声波搅拌分别获得了566和66 nm的粗糙度。在这项研究中，蚀刻硅表面的粗糙度小于60纳米。用兆频超声波搅拌湿法蚀刻硅可以在蚀刻过程中保持几乎原始的表面粗糙度。结果表明，大气搅拌是提高蚀刻率、蚀刻均匀性和表面粗糙度的有效途径，所开发的微加工系统适用于制造复杂结构的器件。

实验

样品的起始材料为6英寸。（100）的硅晶片和一个6英寸的玻璃晶片（石英）。分别使用氮化硅(2000A˚)和多晶硅(3000A˚)用于遮蔽。蚀刻窗口的每个尺寸为2±2 mm2。为了评价兆频超声波搅拌湿法蚀刻的特性，在各种工艺条件下进行蚀刻实验，即蚀刻时间、兆频超声波功率和溶液温度。在这里介绍的所有情况下，溶液的浓度是相同的。在硅和玻璃样品的每种情况下，所有的蚀刻实验分别在30重量%的氢氧化钾溶液和10∶1的氢氟酸溶液中进行。表2总结了工艺参数。蚀刻的表面用显微镜和扫描电子显微镜检查。触笔轮廓测量仪和原子力显微镜；自动探针用于表面测量。

表2 过程参数

结果和讨论

气体搅拌的影响：

硅和玻璃样品分别在66C的30wt%氢氧化钾溶液中和室温下的10：1HF溶液中蚀刻。巨波能被均匀地应用于一个6英寸的能量上。晶圆片应用的能量密度为4.4W/cm2。如图10所示，大气搅拌蚀刻特性优于无大气搅拌蚀刻特性。加和不加巨气搅拌的蚀刻率分别为0.48和0.46mm/min。特别是，硅和玻璃样品的蚀刻均匀性在1%内。在硅样品中，大气搅拌的蚀刻表面粗糙度比没有大气搅拌的表面粗糙度小十分之一，大气搅拌的平均粗糙度(RSave)小于70nm。

图10 巨气搅拌的影响

图11和图12显示了蚀刻硅样品的显微镜和扫描电镜图像。气泡（氢）脱离和流体搅拌对蚀刻表面粗糙度的强烈影响。如图所示。11(a)和12(a)，蚀刻表面光滑且无缺陷。

兆频超声波搅拌强度的影响：

如前所示，通过兆频超声波搅动改善了湿法蚀刻的特性。先前的结果表明，兆频超声波搅动增加了氢泡从硅上的分离efficiency和蚀刻溶液的刷新率。

图14显示了蚀刻过程中兆频超声波搅动强度的effect。随着所施加能量的强度增加，(100)硅的蚀刻速率也增加。基底上气泡或颗粒的去除力很大程度上取决于颗粒直径和流动速度，它们分别与声波的强度和频率成比例。随着施加的兆频超声波能量的增加，表面很容易脱落，蚀刻速率得到提高。

溶液温度和蚀刻线性：

图15显示了蚀刻速率、溶液温度和巨气搅拌之间的关系。一般来说，蚀刻速率随着溶液温度的升高而增加。如图所示，当应用巨气搅拌时，也得到了相同的结果。在所有温度下，有大搅拌的粗糙度都小于没有大搅拌的粗糙度。无论溶液温度是否升高，巨气搅拌都能有效地提高蚀刻特性。

图16显示了大气搅拌蚀刻过程中蚀刻深度的线性度。当蚀刻深度呈线性拟合时，影响因子r2几乎等于1。这说明蚀刻深度与蚀刻时间成线性正比，巨气搅拌不影响蚀刻速度的线性。在蚀刻过程中，表面粗糙度略有增加。蚀刻深度保持了蚀刻过程中1%的均匀性。

图16 蚀刻的时间线性

总结

对于微机电系统器件的制造，硅或玻璃的蚀刻表面必须光滑、无缺陷且尺寸均匀性高。在这项研究中，我们通过兆频超声波搅拌改善了蚀刻特性，即蚀刻均匀性、蚀刻速率、表面粗糙度和无缺陷表面。通过(100)硅在氢氧化钾溶液中的各向异性湿法腐蚀和玻璃在氢氟酸溶液中的湿法腐蚀来评价其特性。特别地，来自MAM的兆频超声波能量显著改善了蚀刻表面的粗糙度和均匀性。在这里，我们提出了在刻蚀过程中使用MAM保持原始表面粗糙度的最佳方法，如表4所示。在不久的将来，我们将把{110}Si蚀刻的特性与Nusse的结果进行比较，并进一步评估高维结构器件的制造。