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本研究設(shè)計(jì)并制造了一種利用橡膠O型圈物理阻止表面蝕刻劑流入的裝置(所述裝置包括加熱器和溫度控制器),通過(guò)蝕刻保持恒定的溫度，也為薄膜結(jié)構(gòu)考慮了蝕刻劑的靜水壓力，利用所制備的器件，在六英寸的硅晶片上成功地制造了具有800米的輻射度、600納米的厚度和具有兩個(gè)波紋的3 m波紋深度的圓形波紋膜片。
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圖1
利用該裝置制備了一種波紋膜，波紋薄膜結(jié)構(gòu)如圖所示1，不僅降低了膜的機(jī)械剛度，也廣泛應(yīng)用于MEMS麥克風(fēng)中。在單側(cè)濕式蝕刻裝置的結(jié)構(gòu)中，采用聚四氟乙烯設(shè)計(jì)，這是一種對(duì)氫氧化鉀具有化學(xué)抵抗力的材料，O形環(huán)用于密封晶圓片的前后兩側(cè)，并且螺釘和螺紋對(duì)O形圈施加足夠的壓力，以確保適當(dāng)?shù)拿芊狻?/span>
在濕式蝕刻中，蝕刻速率取決于氫氧化鉀的濃度和溫度，主要需要濃度為20~30wt%，溫度為80~90°C，在蝕刻過(guò)程中，使用棒狀筒式加熱器和恒溫器來(lái)加熱溶液并保持恒定的溫度，筒式加熱器不直接接觸氫氧化鉀溶液，通過(guò)不銹鋼制的結(jié)構(gòu)來(lái)傳遞熱量，并且在頂部使用了一個(gè)帶有蓋子的結(jié)構(gòu)，該蓋子有一個(gè)洞，被設(shè)計(jì)為允許在蝕刻過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣逃逸，因此，即使在很長(zhǎng)時(shí)間的蝕刻時(shí)間后，溶液的水平也能保持不變。
在裝置的下部形成一個(gè)空腔，并在刻蝕過(guò)程中充滿去離子(DI)水。因此，可以進(jìn)入正在進(jìn)行蝕刻的晶片的另一側(cè)與水接觸。封閉腔內(nèi)的水在達(dá)到準(zhǔn)靜力平衡后就像彈簧的作用。這個(gè)彈簧自動(dòng)平衡在晶圓上創(chuàng)建的微觀結(jié)構(gòu)上的壓力，包括靜水壓力。壓力平衡將在下一節(jié)中詳細(xì)討論。連接到空腔的通風(fēng)孔位于比晶圓表面更高的位置；因此，在加熱期間增加的水量可以逸出。
如果使用30wt%氫氧化鉀溶液在80~90°C下蝕刻500μm硅，該過(guò)程大約需要5小時(shí)才能完成，因此器件的所有部分在薄膜形成之前都處于熱平衡狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，腔內(nèi)捕獲的去離子水的體積因熱膨脹而增加，并從孔中排出。未蝕刻的晶片具有較高的機(jī)械剛度，因此在蝕刻開(kāi)始時(shí)無(wú)需考慮靜水壓力氫氧化鉀，當(dāng)裝置和基底達(dá)到熱平衡時(shí)，關(guān)閉排氣孔，無(wú)論氫氧化鉀的高度、濃度和溫度如何，壓力總是平衡的。因此，即使形成了高彈性結(jié)構(gòu)(如厚度小于1微米的波紋薄膜)，該過(guò)程也可以安全地進(jìn)行。
最后，使用本研究提出的設(shè)備中，在不損傷晶片正面的情況下進(jìn)行了氫氧化鉀濕式蝕刻，氫氧化鉀濃度為25-30wt%，在80°C~90°C下約5h后完成膜的制備。圖4是制作的波紋膜，基于光學(xué)顯微鏡圖像，成功地制備了波紋膜。此外，整個(gè)晶片上沒(méi)有破壞膜，大部分膜是按照設(shè)計(jì)制造的。
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圖4
在濕蝕刻中，整個(gè)正表面形成保護(hù)膜，以檢查氫氧化鉀溶液是否穿透基底的前表面，而在陽(yáng)性PR的情況下，由于它對(duì)氫氧化鉀溶液高度反應(yīng)，當(dāng)它與氫氧化鉀接觸時(shí)，PR從底物中移除，然而當(dāng)使用所提出的裝置時(shí)，即使在蝕刻完成后，正面的PR仍然完全保持，這證明了氫氧化鉀溶液沒(méi)有穿透。
作為氫氧化鉀濕式蝕刻的掩膜材料，使用了500納米的氮化硅薄膜，在蝕刻過(guò)程中保持良好，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的濕蝕刻過(guò)程中，也在視覺(jué)上確認(rèn)了顏色之間的差異，預(yù)計(jì)會(huì)進(jìn)行良好程度的蝕刻。此外如圖所示4(c)，濕蝕刻后有一塊膜沒(méi)有被破壞，且它的形狀不佳，這是因?yàn)橄噜張D案之間的氮化硅層的寬度設(shè)計(jì)約為100微米，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行濕蝕刻時(shí)，圖案之間的氮化硅層不能承受和坍塌，可以假定在模式之間保持超過(guò)200微米的距離會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的結(jié)果。
由于在蝕刻過(guò)程中可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，因此可以確定終點(diǎn)，當(dāng)使用氫氧化鉀時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氫氣，因此當(dāng)進(jìn)行蝕刻時(shí)，形成許多氣泡，溶液出現(xiàn)混濁，當(dāng)蝕刻完成后，溶液就會(huì)變得透明，因?yàn)椴粫?huì)產(chǎn)生氫氣，這也標(biāo)志著這個(gè)過(guò)程的結(jié)束。最后通過(guò)濕式蝕刻裝置，建議的裝置基于聚四氟乙烯的O形密封裝置和溫度維護(hù)金屬結(jié)構(gòu)組成，并且還包括一個(gè)用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的蓋子結(jié)構(gòu)和一個(gè)壓力排氣孔。與現(xiàn)有的設(shè)備不同，它可以調(diào)整溫度，此外也使晶片中精細(xì)的MEMS結(jié)構(gòu)不受蝕刻劑的靜水壓力的影響。