用於矽腐蝕的四甲基氫氧化銨腐蝕液及製備方法
2023-06-02 14:16:41 2
專利名稱：用於矽腐蝕的四甲基氫氧化銨腐蝕液及製備方法
技術領域：
本發明涉及微電子機械系統(MEMS)製造工藝，具體是指用於矽各向異性腐蝕的四甲基氫氧化銨腐蝕液及製備方法。
背景技術：
矽的各向異性腐蝕技術在MEMS製作中起著非常重要的作用，被廣泛應用於不同器件——傳感器，執行器，紅外模擬器等微結構的加工過程。四甲基氫氧化銨(TMAH)是矽各向異性腐蝕劑的一種，它以其具有相對高的對人體的安全性，不含可玷汙矽晶片的鹼金屬離子，且通過加入添加劑，可以實現對Al膜的保護而具有鮮明的優點。通過工藝的優化，它可以實現同CMOS工藝的兼容。
日本的O.Tabata等人對TMAH(分子式C4H13NO)的腐蝕進行了研究(Tabata O，Asahi R，Funabashi H，et al.Anisotropic etching of silicon in TMAHsolutions[J].Sensors and Actuators A，1992，3451-57)，根據他們的研究結果，TMAH的腐蝕具有以下特點當所用TMAH腐蝕液的濃度高時，腐蝕表面質量好，但腐蝕速率低，腐蝕液消費量偏大；當所用腐蝕液濃度低時(＜15wt％)，腐蝕速率高，經濟，但腐蝕表面質量差，有小丘出現。在腐蝕液中加入摻雜劑的方法可以優化腐蝕結果，如加過氧化劑--過硫酸銨(分子式(NH4)2S2O8)--改善腐蝕表面形貌；加吡嗪(C4H4N2)提高矽的腐蝕速率。
北京大學的閻桂珍等人在01118153.2專利中對5wt％TMAH腐蝕液的腐蝕特徵進行了總結，也給出了添加過硫酸銨對腐蝕表面光滑度的改善。但5wt％的腐蝕液濃度從腐蝕表面光滑度角度看，是不理想的，腐蝕液的濃度偏低。
發明內容
本發明的目的是提供一種10wt％TMAH腐蝕液及其製備方法，該腐蝕液對被腐蝕矽表面光滑度較好，對鋁腐蝕速率接近於零，可以實現同CMOS工藝兼容。
本發明的腐蝕液，包括10wt％TMAH腐蝕液，溶於TMAH腐蝕液的1.5～1.75摩爾/升矽粉，3.0～5.0克/升過硫酸銨，1.0～2.0克/升吡嗪。
上述配比腐蝕液的製備方法的步驟如下A.用10wt％TMAH腐蝕液，升溫到60℃，按1.5～1.75摩爾/升矽粉計算，將其分為7份，每次放入一份，待其全部溶解，腐蝕液透明後，再放入另一份，直至全部放完溶解。
B.然後將上述腐蝕液升溫至90℃，並測量腐蝕液的PH值，確認PH值在12.4～12.7之間。
C.將3.0～5.0克/升過硫酸銨和1.0～2.0克/升吡嗪加入腐蝕液中，並不斷攪拌，待全部溶解，得到本發明的腐蝕液。
分步放入矽粉主要是預防矽粉溶解時放出的氣體使得溶液溢出腐蝕容器。矽粉的溶解選在60℃，主要是考慮溫度低時矽粉的溶解速率較慢，而溫度高時，由於矽粉溶解熱的放出，會使腐蝕液溫度升高。而腐蝕液溫度高於90℃時，會造成TMAH的分解。
本發明的優點是1.選用10wt％濃度TMAH相對5wt％TMAH濃度，被腐蝕的矽表面平整度更好，同時常溫下也不會形成矽膠凝固物。
2.選用1.0～2.0克/升吡嗪的加入使得腐蝕速率有約15％的增加。
圖1為本實施例製備時所用的裝置。
圖2顯示了矽粉摻入後，90℃下，10wt％TMAH腐蝕液PH值的變化及對鋁和矽的腐蝕速率的變化。
圖3a給出了含1.5摩爾/升Si粉的10wt％TMAH溶液，被腐蝕的Si(100)面形貌的掃描電子顯微鏡照片。圖3b給出了加入3克/升量的(NH4)2S2O8於含1.5摩爾/升Si粉的10wt％TMAH溶液，被腐蝕的Si(100)面形貌的掃描電子顯微鏡照片。
圖4顯示了隨吡嗪添加量的增加，10wt％TMAH對矽腐蝕速率的影響。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步的詳細說明圖2顯示了矽粉摻入後，90℃下，10wt％TMAH腐蝕液PH值的變化及對鋁和矽的腐蝕速率的變化。當只摻入Si粉的濃度達到1.5摩爾/升時，PH值下降至12.5，此時Al的腐蝕速率有一個陡然降低，其數值＜0.001μm/min。而當腐蝕液的PH值隨Si粉量的增加降低到12.0以下時(見圖中的虛線)，Si(100)面的腐蝕速率也會明顯下降，低至0.6μm/min以下。低的腐蝕速率會導致腐蝕時間過長。
圖3給出了加入3克/升量的(NH4)2S2O8於含1.5摩爾/升Si粉的10wt％TMAH溶液前後，被腐蝕的Si(100)面形貌的對比掃描電子顯微鏡照片。可以看出，加入(NH4)2S2O8後，原來密布小丘的腐蝕面變成桔皮狀平面，小丘基本上消失。臺階儀測得的表面粗糙度在0.1μm以內。實驗發現，繼續增加(NH4)2S2O8的量，效果飽和，表面無可觀察到的改善。
圖4顯示，隨吡嗪添加量的增加，10wt％TMAH對矽腐蝕速率的影響。可以看出隨吡嗪添加量的增加，矽的腐蝕速率起初增加，在達到一個峰值後轉而下降，此現象對(100)，(111)和(110)面均相同。當添加吡嗪量為2克/升時，腐蝕速率達到最大值。對(100)面，速率增加了15.1％，即由0.86μm/min.升至0.99μm/min.。
因而本發明確定的最佳腐蝕液的配比為在10wt％TMAH溶液中加入1.5摩爾/升矽粉，3.0克/升過硫酸銨和2克/升吡嗪。
本發明的實施例是在一個可控制的腐蝕裝置中進行，當然也可以在很簡陋的，只要可以測溫的和測PH值的容器中就可，但這樣給具體操作帶來難度。
見圖1，腐蝕裝置包括磁力攪拌加熱部分1，溫度控制部分2，腐蝕容器3，冷凝回流器4，PH值測量儀5。
其具體步驟如下1.取225毫升去離子水放入腐蝕容器內，加入150毫升25wt％TMAH腐蝕液。
2.將外覆有聚氟乙烯的磁力攪拌子放入腐蝕容器內，啟動磁力攪拌加熱部分，打開冷凝回流器的冷卻水，設定溫度為60℃。
3.將15.75克矽粉平分為7份，當腐蝕液到達設定溫度60℃後，將1份矽粉放入腐蝕液中，待其全部溶解，腐蝕液透明後，再放入另一份，直至全部溶解。
4.將控制溫度設定至90℃，等腐蝕液溫度穩定於90℃後，測量腐蝕液的PH值，確認PH值在12.4～12.7之間。
5.將1.13克過硫酸銨和0.75克吡嗪加入腐蝕液中，並加大磁力攪拌器的攪拌頻率，待全部容解，得到本實施例的腐蝕液。
用本實施例的腐蝕液，在90℃下，可以達到矽(100)面有約1μm/min的腐蝕速率，鋁膜不被腐蝕，同時腐蝕表面平整。實驗檢驗得到腐蝕後的鋁膜表面同矽鋁絲鍵合良好。可以認為，本腐蝕工藝實現了同CMOS工藝的完全兼容。
權利要求
1.一種用於矽腐蝕的四甲基氫氧化銨腐蝕液，其特徵在於包括10wt％四甲基氫氧化銨腐蝕液，溶於四甲基氫氧化銨腐蝕液的1.5～1.75摩爾/升矽粉，3.0～5.0克/升過硫酸銨，1.0～2.0克/升吡嗪。
2.一種製備權利要求1所述的四甲基氫氧化銨腐蝕液的方法，其特徵在於具體步驟如下A.用10wt％四甲基氫氧化銨腐蝕液，升溫到60℃，按1.5～1.75摩爾/升矽粉計算，將其分為7份，每次放入一份，待其全部溶解，腐蝕液透明後，再放入另一份，直至全部放完溶解；B.然後將上述腐蝕液升溫至90℃，並測量腐蝕液的PH值，確認PH值在12.4～12.7之間；C.將3.0～5.0克/升過硫酸銨和1.0～2.0克/升吡嗪加入腐蝕液中，並不斷攪拌，待全部容解，得到本發明的腐蝕液。
全文摘要
本發明涉及一種用於矽腐蝕的四甲基氫氧化銨腐蝕液(TMAH)及製備方法，本發明用10wt％TMAH腐蝕液，在60℃溫度下，溶入1.5～1.75摩爾/升矽粉，再升溫到90℃，溶入3.0～5.0克/升過硫酸銨，1.0～2.0克/升吡嗪，溶解後得到所要求的四甲基氫氧化銨腐蝕液(TMAH)腐蝕液。該腐蝕液對矽(100)面有約1μm/min的腐蝕速率，鋁膜不被腐蝕，同時被腐蝕矽表面平整。實驗檢驗得到腐蝕後的鋁膜表面同矽鋁絲鍵合良好。可以認為，本腐蝕工藝實現了同CMOS工藝的完全兼容。
文檔編號C23F1/32GK1563493SQ20041001703
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月18日 優先權日2004年3月18日
發明者司俊傑, 馬斌 申請人:中國科學院上海技術物理研究所