一種用於矽各向異性腐蝕的裝置的製作方法

2023-04-29 02:05:26 2

專利名稱：一種用於矽各向異性腐蝕的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及微電子機械系統製造工藝中所用的裝置，具體是指一種用於矽各向異性腐蝕的裝置。
背景技術：
矽的各向異性腐蝕技術是矽微電子機械系統(MEMS)製造技術中的一項重要內容。通常，可選用鹼金屬氫氧化物，有機二元胺或氫氧化銨三類溶液中的一種作為腐蝕液，進行體矽的微細加工，以實現所要求的微細結構。
矽的各向異性溼法腐蝕通常是在高溫下(T＞80℃)進行的，以保證矽的腐蝕具有一定的腐蝕速率。腐蝕速率的大小和被腐蝕表面的形貌緊密地依賴於腐蝕液的溫度，腐蝕液的濃度，腐蝕液在矽表面的流動速度，腐蝕過程中腐蝕液的均勻性，腐蝕液中的添加劑等參數和狀態。要保證得到一個可控制的腐蝕過程，保證得到可重複的滿足設計要求的微細結構，使用專門的，能夠對腐蝕條件加以控制、監控，並利於腐蝕過程中操作的裝置就顯得十分重要。
1986年12月3日授權的劉振芳等的中國專利85203849，公布了一種附著於腐蝕容器蓋子上的平板式回流系統的腐蝕裝置，它的腐蝕容器上也有放置溫度計的套管，可以在腐蝕過程中測量腐蝕液的溫度，但無恆溫控制，並且缺少對腐蝕液的攪拌和對腐蝕液PH值的監控。1998年7月14日公布的5,779,927號美國專利，發布了一種帶回流和PH值監控的腐蝕器，只是它是針對用磷酸腐蝕氮化矽的應用，無氣體保護和攪拌裝置。

發明內容
基於上述已有裝置存在的缺陷，本發明的目的是提出一種能對腐蝕參數和腐蝕狀態控制的，並利於腐蝕過程中操作的矽各向異性腐蝕裝置。
本發明的矽各向異性腐蝕裝置包括磁力攪拌器1、腐蝕容器2，在磁力攪拌器和腐蝕容器之間有一可通過電阻絲301加熱的金屬板3或陶瓷裹覆的金屬板3，該金屬板用於腐蝕液加熱。腐蝕容器由腐蝕容器本體201和容器蓋202組成。
其特徵在於在容器蓋頂上還有一冷凝回流器4，冷凝回流器的進氣管401與容器蓋中間通孔202-1聯接，回流管404通過容器蓋旁邊通孔202-2插入腐蝕液裡。在腐蝕容器本體內有一樣品夾具5，在邊上還有測量腐蝕液溫度的測溫探頭601，測量腐蝕液PH值的探頭702，它們分別通過容器蓋周邊通孔與控制儀6和PH值測量儀7聯接。
本發明的優點如下1.由於本發明的腐蝕裝置的腐蝕參數和腐蝕狀態可控制，保證了被腐蝕樣品腐蝕結果的可重複性，保證了被腐蝕樣品具有滿足設計要求的微細結構。
2.由於本發明的腐蝕裝置將保護氣路，攪拌裝置，測量監控系統集合在一起，使得該腐蝕裝置可以依需要選用鹼金屬氫氧化物，有機二元胺或氫氧化銨三類溶液任一種作為腐蝕液，拓寬了普通腐蝕裝置的適用範圍。


圖1為腐蝕裝置的結構示意圖。
圖2為磁力攪拌器和加熱溫控部分的結構示意圖。
圖3A為腐蝕容器的結構示意圖，圖3B為容器蓋的俯視圖。
圖4為冷凝回流器的結構示意圖。
圖5為PH值測量儀的結構示意圖。
圖6為樣品夾具的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明
控制儀6由為磁力攪拌器1提供的交變電源，為電阻絲301提供的電源和控制腐蝕液溫度的控溫部分組成。控溫部分採用XMT-C型「比例積分微分(PID)」反饋閉環控制方式。
磁力攪拌器1通過控制儀提供的交流電產生交變磁場，並將攪拌子101置於交變磁場中，攪拌子隨交流電頻率變化而發生轉動，當攪拌子處於腐蝕液中時，即帶動腐蝕液轉動，使腐蝕液各部分濃度趨於一致。攪拌子101是由永磁材料製作的圓柱體或紡垂體，其外部由氟塑料，如聚氟乙烯包裹。可以滿足在強酸，強鹼溶液環境下工作。
腐蝕液的加熱是由控制儀6提供的電源通過電阻絲301加熱金屬板3或陶瓷裹覆的金屬板實現的，可以達到高於80℃的工作溫度。腐蝕液的溫度是由控制儀中控溫部分通過測溫探頭601得的溫度進行控制，測溫探頭可以是熱電偶或白電阻。
圖3A顯示了腐蝕容器2，由容器本體201和容器蓋202組成。容器和容器蓋均選用石英玻璃材料，可以滿足在強鹼溶液中基本保證不被腐蝕。容器本體201的側面有刻度203，用於顯示腐蝕容器中腐蝕液的量。
圖3B為容器蓋202的俯視圖，容器蓋上有6個通孔，用於連接冷凝器，保護氣體，溫度測量用探頭和PH值測量探頭。通孔202-1位於容器蓋的中部，聯接冷凝器的進氣管401，是腐蝕液蒸汽的進氣通道，通孔202-2位於容器蓋的邊緣，用於插入冷凝器的回流管404，是腐蝕液蒸汽冷凝後返回容器的通道。通孔202-3和202-4是保護氣體的進口和出口，位於容器蓋邊緣，相互對應且處於容器蓋直徑的兩端。通孔202-5和202-6也處於容器蓋邊緣，分別用於連接測溫探頭601和PH值測量探頭702。各個通孔均配有石英玻璃塞子，以在不測量時作通孔密封用。容器本體和容器蓋之間的接觸面及通孔塞子的密封面均採用磨砂口密封。
圖4顯示了冷凝回流器4，由2根蛇形冷凝管401和402，冷凝管連接頭403，冷卻水連接管405和回流管404構成。蛇形冷凝管401接於容器蓋中間通孔202-1，用於腐蝕液蒸氣的進入；回流管404通過容器蓋旁邊通孔202-2插入腐蝕液裡，用於冷凝後腐蝕液的正常返回。405為蛇形冷凝管冷卻水的進出口，兩支蛇形冷凝管的冷卻水管道通過橡膠管406連接。
冷凝回流器4設計的主要考慮和著重點在於1.將冷凝器配置在蓋子上部，由於冷凝水的存在，可以起到蓋子的配重效果，保證工作中腐蝕液蒸汽限制在容器中。
2.選用兩隻直式蛇形冷凝管，既由於該型冷凝管為普通型，易於採購；又實現了冷凝迴路的閉合，且保證了冷凝通道足夠長，有足夠的冷凝效率。
3.冷凝管接口和探頭接口都放置在腐蝕容器蓋子的邊緣，是要保證放入探頭後腐蝕容器內留有足夠的樣品夾角放置空間。
矽的各向異性腐蝕通常是在鹼性溶液環境中進行的。腐蝕效果緊密依賴於腐蝕液中OH離子的濃度。所以，對溶液PH值的監控是非常必要的。PH值測量儀7的選取要使其同實際工作狀態相匹配，即滿足高溫下應用和寬工作動態範圍的要求。圖5顯示了梅特勒-託利多Delta 320型PH值測量儀，由測量主機701和測量探頭702構成。測量時探頭702浸入腐蝕液內。它的PH值可測範圍為0-14，工作溫度範圍為80-120℃。PH值測量儀7的溫度補償應具有同樣的動態範圍。
圖6顯示了樣品夾具5，材料也同樣選用石英玻璃，形狀為方形或圓形吊籃。內部排有多塊直立的弧形分隔板504，用於使被腐蝕矽片直立。分隔板為弧形可以保證放入的矽片表面不會與吊籃相接觸。把手503方便吊籃的放入與取出。吊籃底部有3或4條支撐腿501，支撐吊籃使攪拌子有旋轉的工作空間。吊籃的底部和側面以及分隔板上，均開有小通孔502，以使腐蝕中吊籃內外腐蝕液進行交換。吊籃的大小除了滿足它的直徑大小不影響回流管位置及測溫探頭和PH值探頭的放入外，也滿足其高度不影響容器蓋子的封閉。
樣品夾具的設計的主要考慮和著重點在於1.夾具應使得樣品固定，且被腐蝕表面不同腐蝕容器相碰撞，以避免表面所要求的微結構的損壞；2.夾具應滿足使得腐蝕液能夠在夾具內外充分交換；3.夾具應不影響攪拌轉子的轉動；4.夾具應方便操作，利於向腐蝕容器的放入和放出。
對於某些各向異性腐蝕液，如有機二元胺EDP，還需要通入保護氣體，以保證腐蝕液的化學穩定性。所以，本發明還設計有保護氣體的通路。
保護氣路部分由保護氣體鋼瓶和氣體管道構成。通過腐蝕容器蓋子上部的通孔202-3進氣於腐蝕容器中，通過通孔202-4排出氣體。
權利要求
1.一種用於矽各向異性腐蝕的裝置，包括磁力攪拌器(1)、腐蝕容器(2)，在磁力攪拌器和腐蝕容器之間有一可通過電阻絲(301)加熱的金屬板(3)或陶瓷裹覆的金屬板(3)，腐蝕容器由腐蝕容器本體(201)和容器蓋(202)組成；其特徵在於在容器蓋頂上還有一冷凝回流器(4)，冷凝回流器的進氣管(401)與容器蓋中間通孔(202-1)聯接，回流管(404)通過容器蓋旁邊通孔(202-2)插入腐蝕液裡；在腐蝕容器本體內有一樣品夾具(5)，在邊上還有測量腐蝕液溫度的測溫探頭(601)，測量腐蝕液PH值的探頭(702)，它們分別通過容器蓋周邊通孔與控制儀(6)和PH值測量儀(7)聯接。
2.根據權利要求1的一種用於矽各向異性腐蝕的裝置，其特徵在於所說的樣品夾具(5)形狀為方形或圓形吊籃，內部有多塊用於被腐蝕矽片直立的與吊籃底部固定的直立弧形分隔板(504)，吊籃上面有便於吊籃放入與取出的把手(503)，吊籃底部有支撐吊籃使攪拌子(101)有旋轉的工作空間的3或4條支撐腿(501)，吊籃的底部和側面以及分隔板上均開有小通孔(502)。
3.根據權利要求1的一種用於矽各向異性腐蝕的裝置，其特徵在於所說的冷凝回流器由2根蛇形冷凝管(401)和(402)，冷凝管連接頭(403)，冷卻水連接管(405)和回流管(404)構成；蛇形冷凝管(401)接於容器蓋中間通孔(202-1)，回流管(404)通過容器蓋旁邊通孔(202-2)插入腐蝕液裡，(405-1)為蛇形冷凝管冷卻水的進出口，兩支蛇形冷凝管的冷卻水管道(405)通過橡膠管(406)連接
4.根據權利要求1的一種用於矽各向異性腐蝕的裝置，其特徵在於所說的磁力攪拌器(1)的攪拌子(101)置於腐蝕容器(2)的腐蝕液中，並處於吊籃底部。
5.根據權利要求4所述的一種用於矽各向異性腐蝕的裝置，其特徵在於該攪拌子(101)是由永磁材料製作的圓柱體或紡垂體，其外部由氟塑料，如聚氟乙烯包裹。
6.根據權利要求1的一種用於矽各向異性腐蝕的裝置，其特徵在於所說的控制儀(6)由為磁力攪拌器(1)提供的交變電源，為電阻絲(301)提供的電源和控制腐蝕液溫度的控溫部分組成，控溫部分採用比例積分微分反饋閉環控制方式。
7.根據權利要求1的一種用於矽各向異性腐蝕的裝置，其特徵在於所說的容器蓋上有6個通孔，通孔(202-1)位於容器蓋的中部，聯接冷凝器的進氣管(401)，通孔(202-2)位於容器蓋的邊緣，用於插入冷凝器的回流管(404)，通孔(202-3)和(202-4)是通保護氣體的進口和出口，位於容器蓋邊緣，相互對應且處於容器蓋直徑的兩端；通孔(202-5)和(202-6)也處於容器蓋邊緣，分別用於連接測溫探頭(601)和PH值測量探頭(702)；各個通孔均配有石英玻璃塞子，通孔與石英玻璃塞子的接觸面均採用磨砂口密封。
8.根據權利要求1的一種用於矽各向異性腐蝕的裝置，其特徵在於所說的腐蝕容器(2)的容器本體(201)和容器蓋(202)之間的接觸面均採用磨砂口密封。
全文摘要
一種用於矽各向異性腐蝕的裝置，包括磁力攪拌器、腐蝕容器、電阻絲加熱的金屬板或陶瓷裹覆的金屬板、冷凝回流器、控制腐蝕液溫度的溫度控制儀和pH值測量儀。本發明裝置結構的優點是腐蝕參數和腐蝕狀態可控制，保證了被腐蝕樣品腐蝕結果的可重複性和滿足樣品設計要求的微細結構。
文檔編號B81C1/00GK1564310SQ20041001703
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