引言
鹼性溶液中矽的各向異性刻蝕廣泛用於微機電系統(MEMS)中的體微加工。單晶矽的各向異性溼法刻蝕依賴於其晶面的不同刻蝕速率，已被用於製造各種微機電系統器件。在所有的各向異性蝕刻劑中，無機氫氧化鉀(氫氧化鉀)是最常用的，因為它易於製備且毒性較小。在矽與KOH溶液發生化學反應的過程中，刻蝕過程中產生的氫氣泡在被刻蝕表面堆積，形成“偽掩膜”現象，會阻礙刻蝕劑與表面矽原子的化學反應，降低刻蝕速率，同時增加表面粗糙度，甚至形成小丘。
在半導體工業中，磁力攪拌是單晶矽溼法刻蝕過程中降低矽器件表面粗糙度的常用方法。但這種方法的侷限性在於溶液會分層，溫度分佈不均勻，難以實現微結構尺寸的精確控制和粗糙度的均勻分佈。最近的研究表明，超聲波攪拌可以提高蝕刻速率。
實驗
我們實驗中使用的矽片是高純度浮子區矽棒，直徑達76.2mm，厚度達1mm，電阻率約為2000Ωcm。不同工藝後，矽片表面會受到有機雜質和金屬離子汙染的影響。在此基礎上，分別使用SC-1液體（H2O：H2O2：氫氧化銨=5：1：1）和SC-2液體（H2O：H2O2：HCl=6：1：1）清洗有機雜質和金屬離子。利用熱生長技術在矽片上去除厚度為70nm的二氧化矽層。在製作掩模之前，根據甲苯、丙酮、酒精和水的順序清洗晶片。光刻膠的塗覆方法為旋轉塗布，旋轉速度、塗覆時間和光刻膠厚度分別為3000rpm、30s和300nm。矽片在硬化溫度120℃，硬化時間20min後進入爐內硬化。由於矽溼蝕刻的晶體取向依賴性，將掩模與晶體取向對齊是如此重要。如果不能很好地對齊，凹槽將是非常粗糙的，並不完全準直。當掩模與晶體取向的位錯小於0.01°時，可以完全很好地認為掩模的對齊和晶體的取向。
結果和討論
超聲波頻率對矽（111）晶體面表面粗糙度的影響：
超聲攪拌蝕刻Si（111）表面的AFM影象如圖1所示。採用超聲波分析儀測量超聲波攪拌和無超聲波攪拌條件下矽（111）晶片的表面粗糙度，其中超聲強度為50W/L，測量範圍為5lm±5lm，超聲頻率分別為40千赫、60千赫、80千赫和100千赫。
圖1 超聲攪拌後氫氧化鉀蝕刻Si（111）表面的AFM影象
從表1所示的測量結果可以看出，矽(111)晶面的表面粗糙度隨著超聲頻率的增加而減小，不同超聲頻率的矽(111)晶片的表面粗糙度都小於沒有超聲攪拌的晶片。Si (111)晶面的刻蝕速率如表1所示，可以看出刻蝕速率隨著超聲頻率的增加而增加，這意味著在超聲強度一定的情況下，超聲對刻蝕速率的增強作用隨著超聲頻率的增加而增加。在矽片與KOH溶液反應過程中，產生的氫氣泡會在被刻蝕表面堆積，形成“偽掩膜”現象，阻礙刻蝕劑與表面矽原子的化學反應，在增加矽片表面粗糙度的同時降低刻蝕速率。引入超聲波的目的是基於氫氣泡的機械效應來衝擊氫氣泡，這將減少氫氣泡附著在蝕刻表面上的持續時間，然後提高蝕刻速率和粗糙度質量。根據刻蝕速率的加速程度，在所討論的頻率範圍內，超聲頻率為100 kHz時，機械效應最強。從表1所示的矽(111)晶面的刻蝕速率與表面粗糙度之間的關係可以看出，表面粗糙度的降低能力隨著超聲機械效應的增加而增加。
表1 在超聲攪拌和無超聲攪拌條件下，矽（111）晶面表面粗糙度和蝕刻率的測量結果
超聲波強度對Si (111)晶面表面粗糙度的影響：
不同超聲頻率下Si（111）晶體平面的超聲強度與表面粗糙度的關係如圖3所示。當頻率相同時，Si（111）晶體面的表面粗糙度隨著超聲強度的增加而減小。無花果4顯示了不同超聲頻率下Si（111）晶體平面的超聲強度與蝕刻速率的關係。可以看出，在相同的超聲頻率下，矽（111）晶面的蝕刻速率隨著超聲強度的增加而增大。
IPA濃度對Si（111）晶面表面粗糙度的影響：
用異丙醇在氫氧化鉀中蝕刻的矽(111)表面的原子力顯微鏡影象如圖2所示。
圖2 用IPA蝕刻Si（111）表面的AFM影象
用表面輪廓儀測量了矽(111)晶片在IPA條件下的表面粗糙度，測量範圍為5lm±5lm，IPA濃度分別為5%、10%、15%和20%。隨著異丙醇濃度和矽表面粗糙度的增加，矽(111)晶面的刻蝕速率和表面粗糙度均減小，形成了‘偽面具’現象。造成這一現象的原因主要是氫氣泡與矽表面的接觸角較大。異丙醇的引入可以改變矽表面的潤溼性，從而降低氫氣泡與矽表面的接觸角。隨著異丙醇濃度的增加，潤溼性增強增加，接觸角減小，這可以減少氫氣泡附著在蝕刻表面的持續時間，然後改善表面粗糙度質量(見圖3)。
圖3 用超聲攪拌和IPA在氫氧化鉀中蝕刻Si（111）表面的AFM影象
IPA濃度和超聲波引數對Si（111）晶平面表面粗糙度的相互影響：
從上述結果中可以看出，超聲波攪拌和IPA都能大大降低Si（111）晶面的表面粗糙度。為了保證是否能獲得較低的表面粗糙度，在矽溼式蝕刻過程中引入了超聲波攪拌和IPA的組合。透過改變不同的實驗引數，圖4顯示了Si (111)晶面的表面粗糙度與IPA濃度、超聲頻率、超聲強度之間的關係。結果表明，當超聲頻率為100千赫，異丙醇濃度和超聲強度範圍分別為5-20%和30-50瓦/升時，Rq複合法制備的矽(111)晶片表面粗糙度均小於5奈米，表面粗糙度Rq小於2奈米。當異丙醇濃度為20%、超聲頻率為100千赫、超聲強度為50瓦/升時，矽(111)晶面Rq的表面粗糙度為1奈米。
圖4 在不同質量分數下，IPA蝕刻過程中Si（111）晶體平面的表面粗糙度與超聲強度和頻率的影響
異丙醇的引入可以降低氫氣泡與蝕刻劑之間的表面張力，從而降低氫氣泡與矽表面的接觸角，加速氣泡脫離。同時，超聲波場的引入可以改變蝕刻劑和矽表面之間的液體速度分佈。分離時，氫氣泡同時受到包括蝕刻劑浮力和體積力[30–32]在內的兩種力的影響，產生聲流，這可能使氣泡的分離速度比單獨使用異丙醇的蝕刻條件下更快，並改善表面粗糙度質量。
總結
我們研究了超聲頻率、功率和異丙醇濃度等主要因素對Si (111)晶面表面粗糙度的增強作用。實驗結果表明:(1)在相同的超聲強度下，Si (111)晶面的表面粗糙度隨著超聲頻率的增加而減小；(2)在相同的超聲頻率下，Si (111)晶面的表面粗糙度隨著刻蝕速率的增加而減小；(3)Si (111)晶面的表面粗糙度隨著異丙醇濃度的增加而增加；(4)在矽溼法刻蝕工藝中，將超聲攪拌和異丙醇濃度相結合可以獲得較低的Si(111)晶面表面粗糙度。
