KOH、TMAH 和 EDP 对硅进行体微加工的蚀刻特性比较

本文研究了氢氧化钾、TMAH（C6H4(OH)2)溶液中氢氧化铵（四甲基铵）和EDP(乙烯二胺(NH2(CH2)2NH2)的浓度和温度对硅表面的影响，制作了光滑的垂直墙和悬吊梳式结构。

在蚀刻研究中，在1100C下热生长1lm二氧化硅掩蔽层，然后通过常规光刻和氧化物图案蚀刻对氧化物层形成图案,对于垂直的侧壁，掩模图案应平行于方向对齐,在将样品浸入蚀刻溶液中之前，在缓冲的高频溶液中去除天然氧化物，然后在去离子(DI)水中冲洗,为了更好地晶片区域的均匀性，我们将样品水平保存在蚀刻溶液中。

将氢氧化钾薄片溶解到去离子水中制备氢氧化钾溶液,在500ml的氢氧化钾溶液中进行了一系列的蚀刻实验,浓度在10~50wt%之间变化，温度在80~120C之间不等,TMAH溶液（500毫升）是通过稀释市售的TMAH溶液制备的。TMAH浓度在5~25wt%之间变化，蚀刻槽的温度在60~90C之间变化。本研究采用500ml乙烯二胺、80g吡氯苯乙烯和水(DI)作为蚀刻溶液，蚀刻溶液中的EDP含量从71~95wt%不等，蚀刻浴的温度从70~125C不等。

蚀刻溶液中的浓度在60C下，最大蚀刻速率为0.28lm/min，在90C下为1.18lm/min，TMAH浓度为1.18lm/min。图4显示了蚀刻溶液中硅蚀刻速率随EDP浓度的变化，在本研究中，在71%EDP溶液中，最大蚀刻速率分别为0.5lm/min，125C为2.5lm/min。当溶液中EDP含量低于71wt%时，硅表面开始出现固体残留物。此外，还发现，在95wt%的EDP含量以上时，蚀刻率显著下降。因此，硅蚀刻实验限制在71-95wt%EDP溶液。

通过优化过程证实，只要温度和浓度都固定，在蚀刻深度50-60lm范围内，表面粗糙度值是稳定的。三种蚀刻剂的Si表面的蚀刻表面均形成线性纹理结构。表面粗糙度随着蚀刻温度的升高，表面粗糙度逐渐降低。对于氢氧化钾溶液，在沸点温度附近蚀刻的表面比在较低温度下蚀刻的样品表面光滑。在120C下，40wt%氢氧化钾溶液左右达到最佳表面粗糙度。 在描述80C和120C下蚀刻Si表面的差分干涉对比度(DIC)显微图中，通过测量的表面粗糙度(Ra值)，表明表面粗糙度值从926.4到21.2nm有显著变化,表面纹理的长度比氢氧化钾蚀刻样品的表面纹理要短,在周围获得了最好的表面粗糙度。TMAH(25wt%)蚀刻样品的表面粗糙度范围为35.6nm(90C)至61.2nm(70C),高温下的蚀刻法也能提高EDP溶液的表面质量,在125C下，EDP溶液在88wt%左右达到最佳的表面粗糙度。当EDP溶液温度(88wt%)从90升高到125C时，蚀刻硅表面的均方根粗糙度从65.3nm降低到9.4nm。

蚀刻表面的光滑性与从硅表面去除小氢气泡的有效性密切相关,当氢气泡粘在硅表面时，反应高度延迟，最终形成类似于如图所示的线性纹理粗糙表面,在较高的温度下工作也有助于快速去除氢气泡，因为蚀刻剂的粘度在较高的温度下降低。粘度的降低使气泡很容易从表面脱落，并使蚀刻溶液在较短的时间内返回并扩散到分离的气泡部位。因此，形成较小的氢气泡，并只在硅表面停留很短的时间。随着氢气泡覆盖的表面积的减小，表面粗糙度也会减小。

通过研究不同蚀刻剂的蚀刻行为，可以制作垂直梳状壁。我们测量了不同浓度和温度下硅晶片在氢氧化钾、TMAH和EDP溶液中的蚀刻速率，比较了所有蚀刻剂的各向异性蚀刻性能：(a)蚀刻速率取决于蚀刻剂的浓度和温度，在20wt%氢氧化钾溶液下，观察到最大蚀刻速率（15.06lm/min），硅蚀刻速率随着TMAH浓度的增加而增加，最大值为25wt%。蚀刻速率随着蚀刻溶液中EDP浓度的降低而增大。然而，当浓度低于71wt%的EDP浓度时，蚀刻表面开始出现残留物；(b)在高温下的蚀刻可以提高所有三种蚀刻剂的平滑度，可以得到硅光滑表面，Ra值为21.2nm，40wt%氢氧化钾溶液在120C和9.4nm的EDP溶液(88wt%)在125C。在TMAH溶液中，可以得到最好的Ra值为35.6nm；(c)估计了Si样品在阿伦尼乌斯关系中的活化能和指数前因子，氢氧化钾、TMAH和EDP溶液的活化能分别为0.6、0.5和0.34eV。而相应的指数前因子的值分别为109、107和105lm/min；(d)通过适当的预防和保护，EDP在蚀刻过程中产生光滑的蚀刻表面，并溶解硅晶片。因此，在溶解晶圆过程中不使用单一蚀刻剂，可以想到两步蚀刻，初始阶段是氢氧化钾溶液，最后阶段是EDP蚀刻。