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湿的各向异性腐蚀特性如果{111}在NaOH-based硅体微加工的解决方案

188博金宝官网登录体积10文章编号:21(2022年)引用这篇文章

文摘

硅微加工大部分是广泛使用的方法在微机电系统(MEMS)形成独立的(例如,悬臂梁)和固定的(例如,蛀牙)的微观结构。湿硅各向异性腐蚀是一种流行的技术执行微加工是低成本、可伸缩的、适合大规模的批处理,业内的主要因素被认为是降低产品的成本。在这项工作中,我们报告潮湿的各向异性腐蚀的特点是{111}在氢氧化钠(氢氧化钠)和羟胺(NH2哦)。NH 10 m氢氧化钠和12%2哦,被用于这项研究。NH的影响2哦了腐蚀速率,蚀刻表面粗糙度和形态,削弱的面具边缘沿< 112 >方向保持一致。这些主要的腐蚀特点,应该研究在一个潮湿的各向异性蚀刻剂。利用三维激光扫描显微镜来测量表面粗糙度,腐蚀深度、长度和削弱,而蚀刻表面形态是使用扫描电子显微镜(SEM)研究了。NH公司的2哦在氢氧化钠显著增强的腐蚀率和削弱面具边缘不包含{111}的飞机。制作独立结构(如微悬臂)如果{111}晶片,在< 112 >高削弱面具边缘是可取的减少释放时间。此外,年龄对上述腐蚀剂腐蚀特性的影响。腐蚀速率和削弱减少明显的年龄修改氢氧化钠。本文报道非常有趣的结果应用于湿体微加工的Si {111}。

介绍

湿各向异性蚀刻是一个基本的过程的各种组件的制造领域的微机电系统(MEMS) [1,2,3,4,5]。各种MEMS组件(如悬臂、腔、隔膜等)通过湿的各向异性etching-based硅体微加工的{100}、{110}和{111}取向硅片为不同的应用程序(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。此外,湿各向异性蚀刻的Si{111}是用来制造复杂的结构使用深反应离子刻蚀(冲动)辅助湿蚀刻7,8,9,10,11,12]。“社会党国际”{111}晶片也可以用来控制独立结构之间的差距和底部表面(10,11]。湿硅各向异性腐蚀通常是在碱性溶液进行,这可以是一个有机的(例如,氢氧化tetramethylammonium (TMAH))或无机化合物(例如,氢氧化钾(KOH),和氢氧化钠(氢氧化钠))(15,16,17,18,19,20.,21,22,23,24,25,26,27,28,29日,30.,31日,32]。TMAH和KOH全面研究了碱性湿硅各向异性腐蚀的解决方案。然而,有限的研究已经报道了其他种类的碱性溶液如氢氧化钠、乙二胺(EDP),邻苯二酚水氢氧化铯(CsOH)、氢氧化铵(NH)4哦),联氨等。25,26,27,28,29日,30.,31日,32,33,34,35,36]。最近,我们报道的腐蚀特点Si Si{110}和{100}在氢氧化钠和北半球2哦。显著改善蚀刻NH时观察到的特征2哦是加入氢氧化钠溶液(31日,32]。因此,它是非常重要的调查如果{111}的腐蚀特点NaOH-based解决方案在微机电系统中的应用。

在各种各样的碱性的解决方案,如果{111}飞机腐蚀速率最慢的飞机。因此,面具边缘对齐沿着晶体方向由{111}飞机展览至少削弱。当任意的面具在碱性溶液蚀刻,严重削弱了发生在边缘,不包含{111}的飞机。削弱继续直到它遇到{111}的飞机。制造一个蚀刻轮廓尺寸控制,面具的边缘模式必须沿着方向由{111}面一致(例如,< 110 >方向如果{100}和{111}面,< 112 >和< 110 >方向Si{110}面)。如上所述在之前的段落,如果{111}是一个重要的方向用湿各向异性蚀刻或复杂的微结构驱动辅助湿各向异性蚀刻(10,11]。极射赤面投影,示意图Fig。1提供了非常重要的晶体晶片表面上飞机的信息出现在特定的晶体的方向。此外,它是非常有用的,知道不同的飞机和方向之间的角度。在无花果。1、固体蓝色圆圈代表{111}飞机预计从上半球,而开放的蓝色圆圈表示{111}飞机预计从下半球。{111}面用固体蓝色圆进行109.5º角与晶片表面平面和60º,然而打开蓝色的圆的{111}面描述形成一个70.5º角的顶部表面晶片和60º彼此见图。1。< 110 >如果{111}面晶体方向,如无花果所示。1{111}面组成,湿各向异性蚀刻过程中出现。各种类型的形状形成的,{111}< 110 >晶体方向的飞机出现在湿图中描述的各向异性腐蚀过程。2。这些形状示意图在硅晶片表面的{111}无花果。3蚀刻的胎侧。概要文件是由{111}飞机当这些形状被蚀刻在一个各向异性蚀刻剂如无花果所示。3b。蚀刻的横断面视图配置文件是在无花果。3c。

图1
图1

极射赤面投影的示意图表示的{111}硅:一个(111)面在一个单元电池,b单位细胞球体的中心用于项目不同的晶体2 d表面上飞机,和c极射赤面投影展示不同的飞机。{111}飞机预计从顶部和底部半球固体和开放的蓝色的圆圈所示,分别。三个{111}面所示蓝色点做一个109.5º角到硅片表面平面和60º,而另一个三个{111}飞机开放的蓝色圆圈形成一个所示70.5º角表面平面和60º

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图2
图2

形成不同形状的{111}< 110 >晶体方向飞机湿各向异性蚀刻过程中出现如六角、菱形、三角形,等腰梯形

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图3
图3

示意图的湿anisotropically蚀刻的各种形状的面具在Si{111}晶片几何图形:一个面具模式,b湿各向异性蚀刻剂蚀刻蚀刻后资料,c沿着不同的方向截面图。虚线在一个显示的方向湿蚀刻将终止由于{111}飞机的出现

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制造的微观结构,腐蚀速率是一个最重要的特征,因为它影响制造时间,最终影响整体生产成本。腐蚀率高便于工业吞吐量越高。控制腐蚀特征的突出因素腐蚀时间,蚀刻温度、搅拌在蚀刻,和腐蚀剂的添加剂的存在。最近,羟胺(NH的影响2OH)的腐蚀性能KOH和TMAH报告(37,38,39,40,41,42,43]。

在本文中,我们目前的潮湿的各向异性腐蚀特性NaOH-based Si{111}的解决方案。氢氧化钠溶液由NH的修改2哦,改变腐蚀特征。目前的工作的主要目的是提高削弱速度面具边缘沿< 112 >方向一致的快速释放微悬臂等微观结构。此外,年龄腐蚀剂腐蚀特性的影响是有条不紊地进行。

实验的细节

在这个工作中,Cz-grown p型掺杂硅{111}一面抛光4英寸晶片电阻率为1 - 10Ωcm用于腐蚀特征的调查。1µm厚度的氧化层沉积使用热氧化方法作为掩模和/或结构层。这种氧化层使用光刻中积极的光刻胶图案(AZ1512HS)是用作氧化的选择性蚀刻掩模层缓冲氢氟酸(BHF银行)。彻底执行用去离子水冲洗干净后使用丙酮光刻胶被移除。随后,晶片切碎成小样本。这些样品是清洁水虎鱼浴(H2所以4:H2O2::1:1)去离子水冲洗。一层薄的氧化物化学沉积在食人鱼浴清洗过程中,延迟硅蚀刻过程。因此,清洗样品浸泡在1%的HF 1分钟去除化学氧化层生长。此后,样品在去离子水彻底冲洗。现在执行蚀刻在NH纯和12%2OH-added 10 m氢氧化钠(氢氧化钠)70±1°C的温度。选择10 m氢氧化钠因为这个浓度提供了高腐蚀率(29日]。腐蚀实验是在1 l腐蚀剂进行解决方案。准备1升溶液10 m氢氧化钠,400 g的颗粒溶解在1000毫升去离子的水(DI)。在NH 1升12%2400年OH-added 10 m氢氧化钠,- - - gm氢氧化钠颗粒,NH 240毫升的50%2哦,760毫升使用去离子水。在腐蚀实验保持温度不变,使用恒温水浴。一个腐蚀容器聚四氟乙烯制成的用于过程。连续加热的蚀刻剂蚀刻过程中改变蚀刻剂的浓度由于水的蒸发。从今以后,一个反射厚玻璃制成的电容器使用配有双层狭小通道。一个3 d测量激光显微镜(奥林巴斯OLS4000)是用来测量腐蚀深度、长度和表面粗糙度的打压。在不同的位置进行测量的样品。蚀刻表面形态特征是使用扫描电子显微镜(SEM)。

结果与讨论

腐蚀特征(例如,腐蚀率、表面粗糙度和削弱)Si的{111}在10 m氢氧化钠,NH的12%2哦了。腐蚀速率和削弱决心通过测量腐蚀深度和横向削弱长度,分别对不同腐蚀时间。表面粗糙度测量在不同的位置相同的样本,然后计算它的平均值和标准偏差。使用SEM分析了蚀刻表面形态。在随后的部分,腐蚀的特点,系统地介绍了Si {111}。确定腐蚀老化腐蚀特性的影响,连续腐蚀实验是在同一溶剂中执行未来15天。

腐蚀率

蚀刻率是最重要的一个参数来衡量当腐蚀剂腐蚀特征的调查。它的特点是单位时间内垂直刻蚀深度见图。4。应评估腐蚀时间等参数不同的微观结构,如蛀牙的形成/凹槽。在纯和NH计算腐蚀速率2OH-added氢氧化钠、腐蚀深度是衡量Si{111}蚀刻样品对不同腐蚀时间。这项研究的结果发表在无花果。4。如果{111}的腐蚀率显著增加,当北半球2哦,添加氢氧化钠溶液中,这有助于减少腐蚀形成的微观结构,例如,蛀牙。几个因素可能影响腐蚀速率的蚀刻剂蚀刻剂浓度、腐蚀温度,活性物种的损失(H2啊,哦−等),基质溶解的腐蚀剂,杂质/蚀刻剂的添加剂等。1,2]。当北半球2哦,合并,活性物种H2啊,哦−,NH2O−增加(44]。这些额外的物种可能产生NH的分解2哦,中间和最终产品在碱性溶液的存在44,45,46,47]。因此,推测NH的腐蚀率2OH-added氢氧化钠由于增加额外的活性物种的存在。

图4
图4

腐蚀率如果{111}在纯和北半球2在70°C OH-added氢氧化钠

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调查年龄腐蚀剂腐蚀特性的影响,相同的腐蚀溶液不断用于未来15天。硅蚀刻后进行每一天在接下来的五天。每五天之后,蚀刻后执行。腐蚀剂年龄对腐蚀速率的影响提出了无花果。5。它可以很容易地发现与蚀刻剂蚀刻率大大减少年龄在腐蚀过程。这是猜测,额外的活性物种的可访问性(或生产)可能下降随着腐蚀剂年龄的增加,这可能导致减少腐蚀率(44]。

图5
图5

nh腐蚀剂年龄(12%的效果2哦+ 10 M氢氧化钠)腐蚀率

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蚀刻表面形态

蚀刻表面形态是一个主要的关注特别是当均匀的微观结构表面深度需要捏造或用于光学应用。蚀刻参数,影响腐蚀速率,也影响蚀刻表面粗糙度和形态。它基本上是由于不均匀的蚀刻过程中从表面硅原子。这种情况主要是由于micro-masking效应(1,2]。表面污染和氢泡沫主要是抑制表面反应,因此作为micro-mask蚀刻过程中(1,2,48,49,50,51]。

图6介绍了平均表面粗糙度(R一个)和相应的表面形态Si{111}蚀刻在纯和北半球2OH-added氢氧化钠。测量是通过扫描200\ \(\倍)200年µm2区域在不同的位置在同一样本使用3 d激光扫描显微镜。从这个图表中可以注意到当NH表面粗糙度却降低了2哦,被添加到氢氧化钠。蚀刻表面形态取决于各种因素,结果可能会有所不同从一个实验室另一个实验室和样品相似样品在相同类型的腐蚀剂腐蚀参数。调查腐蚀剂年龄的影响,同样的方法,用于蚀刻率的研究,跟踪。图7展品腐蚀剂老化的结果平均表面粗糙度。从结果可以看出,老化的蚀刻剂蚀刻表面粗糙度的恶化。

图6
图6

平均表面粗糙度和相应的SEM显微图如果{111}蚀刻在纯和北半球2OH-added氢氧化钠

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图7
图7

nh腐蚀剂年龄(12%的效果2哦+ 10 m氢氧化钠)蚀刻表面粗糙度和形态

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削弱在面具边缘

削弱指的是横向腐蚀发生在屏蔽层(52]。它有自己的优点和缺点。这是一个理想的功能组成的悬臂结构的制造材料表现出高腐蚀选择性与SiO等硅2,如果3N4示意图见图。8。在这部作品中,削弱了利率是调查面具边缘对齐的< 112 >方向。这项研究的结果发表在无花果。8。从实验结果可以很容易地发现,削弱的NH率会显著上升2哦。削弱的增长背后的主要原因是腐蚀率”的解释一样腐蚀率即“部分。,the reactive species increase on addition of NH2哦,结果削弱了利率的增加面具边缘沿< 112 >方向保持一致。演示应用程序修改腐蚀剂的硅微加工、独立式悬臂梁是捏造的,这项研究的结果发表在无花果。9。

图8
图8

横向削弱速度面具边缘沿< 112 >方向对齐在纯和NH Si {111}2在70°C OH-added氢氧化钠

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图9
图9

悬臂梁的SEM图像伪造在氢氧化钠+ NH Si {111}2哦,解决方案

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必须检查腐蚀剂老化的影响削弱过程了解随着腐蚀剂老龄化蚀刻的变化特征。同样的实验过程,用于腐蚀研究”腐蚀率”部分,后面是调查老化效应。结果显示在无花果。10。它显然可以观察到外侧削弱减少腐蚀剂的年龄。正如前面所讨论的那样,NH的活性物种2OH-added氢氧化钠减少腐蚀剂年龄,削弱了利率下降背后的主要原因与年龄的腐蚀剂。虽然削弱了利率下降随着时间的推移,它仍然高于纯氢氧化钠。腐蚀剂时代的负面影响削弱了利率,NH2OH-added氢氧化钠后应立即使用制备获得更高的优势削弱。

图10
图10

nh腐蚀剂年龄(12%的效果2哦+ 10 m氢氧化钠)横向削弱率

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结论

一个10米没有NH和12%氢氧化钠溶液2哦,是用来研究腐蚀特征(腐蚀速率、蚀刻表面形态和削弱在< 112 >面具边缘)如果{111}的晶圆。NH公司的2哦,极大地提高了腐蚀速率,这对于提高产量是至关重要的。此外,当NH削弱率增加2在氢氧化钠添加哦,这是至关重要的快速释放的底物的微观结构。蚀刻表面形态的NH并没有太大的影响2哦。此外,老化腐蚀剂腐蚀特性的影响。腐蚀速率和削弱了利率与蚀刻剂抑制年龄。此外,蚀刻表面粗糙度是老化的不利影响的解决方案。基于本文中给出的结果,可以得出结论,修改后的氢氧化钠溶液的NH后应立即使用2哦,来实现更高的削弱速度< 112 >面具边缘。

可用性的数据和材料

不适用。

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下载参考

确认

我们极大地承认CSIR的金融支持。

资金

这项工作是支持的研究资助的科学与工业研究理事会(CSIR裁判:22 (0824)/ 19 / EMR-II, 0527 / NS)。

作者信息

作者和联系

  1. 印度科技学院的海德拉巴,Kandi、Sangareddy Telangana,印度

    s . Purohit诉Swarnalatha, a . k . Pandey & p .朋友

作者
  1. 美国Purohit
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  2. 诉Swarnalatha
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  3. a . k . Pandey
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  4. p .朋友
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贡献

SP和VS做了实验,做出了同等的贡献。SP、VS和页写的手稿。正义与发展党审查和编辑的手稿。所有作者阅读和批准最终的手稿。

相应的作者

对应到p .朋友。

道德声明

伦理批准和同意参与

不适用。

同意出版

所有作者同意出版。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

额外的信息

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Purohit, S。,Swarnalatha, V., Pandey, A.K.et al。湿的各向异性腐蚀特性如果{111}在NaOH-based硅体微加工的解决方案。微观和纳米系统1021岁(2022年)。https://doi.org/10.1186/s40486 - 022 - 00162 - 7

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关键字

  • 硅
  • 如果{111}
  • 各向异性腐蚀
  • 微机电系统
  • 氢氧化钠
  • NH2哦
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