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本文提出了一種新的硅塊微加工裝置，它利用聚合物保護(hù)涂層ProTEKRB2涂層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬掩模，考慮了不同濃度的氫氧化鉀和浴條件，ProTEKRB2涂層與硅襯底具有良好的粘附性，沒有降解、蝕刻率和表面粗糙度，蝕刻時(shí)間大于180min且不破壞前側(cè)微結(jié)構(gòu)，微懸臂梁也使用兩種不同的工藝流程制造，以證明這種保護(hù)涂層在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝中的適用性。
實(shí)驗(yàn)在不同的氫氧化鉀浴條件下進(jìn)行，樣品與水平位置相比，將樣品保持在垂直位置，以便更好地從蝕刻表面排出氫氣泡，并更好地對樣品進(jìn)行視覺控制，氫氧化鉀蝕刻裝置如圖1。
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圖1
在沉積ProTEKRB2涂層之前，必須將一種特定的引物自旋應(yīng)用于Si表面，以提高薄膜的粘附性，然后需要在熱盤上以130°C-150°C進(jìn)行軟烤，保護(hù)涂層可以以1000rpm的速度旋轉(zhuǎn)涂在樣品上90秒，然后分三個(gè)步驟進(jìn)行硬烘烤：150°C 2min，170°C 2min，225°C 1min。這些步驟需要達(dá)到聚合物的最佳穩(wěn)定性和粘附性，從而避免在氫氧化鉀蝕刻過程中出現(xiàn)不必要的剝離，在這些條件下，涂層的平均厚度為12微米。濕蝕刻后，樣品清洗如下：首先應(yīng)用特定的去除液約20-40min，使保護(hù)層溶解，然后為了完全去除，必須分別在3：1的硫酸和過氧化氫溶液中進(jìn)行額外的“食人魚”蝕刻，持續(xù)10分鐘。
由于聚合物保護(hù)涂層是透明的，設(shè)計(jì)的階段允許在蝕刻過程中對樣品的背面和正面進(jìn)行視覺控制，因此，在測試期間很容易記錄任何可能出現(xiàn)的問題。隨著氫氧化鉀重量濃度(20%wt、30%wt和40%wt)的增加，蝕刻率呈非線性下降，在不同的測試浴條件下，添加表面活性劑對硅蝕刻速率的影響最小，而攪拌器攪拌起著更重要的作用。這種行為可能是由于攪拌器的添加能更好地最小化所謂的“掩膜氣泡”現(xiàn)象，攪拌器和表面活性劑的結(jié)合似乎沒有引起任何明顯的效果，僅通過攪拌而引起的試驗(yàn)的蝕刻速率大致相同。
隨后對熱氧化硅掩模的蝕刻速率也進(jìn)行了表征，以評價(jià)該過程的選擇性，即硅和二氧化硅的蝕刻速率之間的比率，在不添加表面活性劑的情況下，氫氧化鉀濃度最低(20%wt)的比例最高，隨著氫氧化鉀濃度的增加，其選擇性比硅蝕刻速率的變化趨勢更呈線性變化，這是由于氧化硅蝕刻速率作為氫氧化鉀濃度的函數(shù)的線性增加行為，在所有四種浴液條件下，選擇性值沒有真正的差異，這意味著Si和二氧化硅對表面活性劑和/或攪拌器的添加物有類似的依賴性。
各向異性蝕刻的單晶硅表面的粗糙度是另一個(gè)可用于識別聚合物掩蔽對氫氧化鉀浴液的任何影響的關(guān)鍵參數(shù)，研究粗糙度主要有兩個(gè)原因：首先，微加工器件的表面粗糙度會影響到其性能；第二個(gè)原因是要證明在濕蝕刻過程中聚合物掩模的存在和樣品的垂直位置不影響硅（1 0 0）取向襯底上的粗糙度和形貌。
為了獲得關(guān)于表面粗糙度的全局信息，在7個(gè)不同的方形掃描區(qū)域(120×120μm2)上對每個(gè)樣品進(jìn)行了AFM接觸模式測量，并與在相同條件下蝕刻的未涂層參考樣品的測量結(jié)果進(jìn)行了比較。用于定量形態(tài)學(xué)評價(jià)的參數(shù)為均方根粗糙度Rq和平均粗糙度Ra，對于所有濃度，在純氫氧化鉀攪拌條件下獲得了最高的粗糙度，而純氫氧化鉀在靜態(tài)條件下觀察到明顯的粗糙度下降，表面活性劑SDSS的加入導(dǎo)致了平滑度的顯著提高，當(dāng)攪拌與使用表面活性劑結(jié)合時(shí)，在所有的氫氧化鉀濃度下，粗糙度都會有非常輕微的增加。
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圖6
用FESEM進(jìn)行的形態(tài)學(xué)研究證實(shí)了AFM表征的結(jié)果。在最低濃度下，錐體突起嚴(yán)重影響表面(圖6(a))，對于30%的wt氫氧化鉀溶液，錐體的大小大大減小(圖6(b))，而對于40%的wt氫氧化鉀，偶爾會觀察到錐體(圖6(c))。通常在氫氧化鉀中蝕刻的硅（1 0 0）表面上可以觀察到錐體突起，根據(jù)一些研究表明，隨著氫氧化鉀濃度的增加，金字塔的密度和大小都顯著減小，不均勻的山丘大小表明，缺陷是在蝕刻過程中不斷產(chǎn)生的。因此，缺陷的產(chǎn)生是蝕刻工藝所固有的，除濃度外，其他因素還影響氫氧化鉀蝕刻過程中小山丘的形成、密度、形狀和尺寸，包括浴溫度和是否存在添加劑。
此外，在垂直位置蝕刻的氫氣泡運(yùn)動引起的螺旋狀圖案沒有觀察到，這可能是由于在這項(xiàng)工作中使用的溫度較高，所有的測試都表明，蝕刻率、粗糙度和蝕刻形態(tài)似乎沒有受到聚合物涂層的影響，因?yàn)閺膮⒖紭悠泛臀墨I(xiàn)中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的不匹配，這證實(shí)了ProTEKRB2涂層的存在不影響氫氧化鉀浴條件的假設(shè)，并為氫氧化鉀濕蝕刻掩蔽層提供了一種成本效益和高效的技術(shù)選擇。
通過研究了一種替代傳統(tǒng)保護(hù)掩模對氫氧化鉀批量微加工的替代方法，提出了使用聚合物保護(hù)涂層和一種新的、經(jīng)濟(jì)有效的氫氧化鉀蝕刻裝置，它們共同消除了在設(shè)備側(cè)使用硬掩模的需要。此外，已經(jīng)證明，蝕刻表面的蝕刻速率和形貌不受器件上存在的聚合物保護(hù)的影響，這種聚合物可以很容易地旋轉(zhuǎn)涂在晶片上并從晶片上去除，其持久性允許超過3小時(shí)的蝕刻，聚合物涂層減少了膜損傷的問題。
因?yàn)椴恍枰邷?，表面不產(chǎn)生應(yīng)力，與LPCVD和PECVD硬掩模沉積工藝相比，這種保護(hù)解決方案在工藝時(shí)間和成本方面也很方便，結(jié)果表明，在完全去除ProTEKRB2涂層后，硅表面保持了自身的特性，采用了MEMS制造過程，從SOI襯底中獲得了懸臂梁，使用了兩種不同的工藝流程來證明可以在設(shè)備側(cè)的圖案化工藝之后或之前應(yīng)用聚合物保護(hù)。