[发明专利]基于TMAH的气相刻蚀方法及气相刻蚀装置

说明书

本发明公开了一种基于TMAH的气相刻蚀方法，包括：（1）、在单晶硅基片上利用热氧生长一层SiO₂掩膜层薄膜；（2）、利用紫外光刻实现在基片图形化工艺；（3）、利用光刻胶做掩膜，采用体积比HF：NH4F=1:4配制BOE溶液刻蚀SiO₂，丙酮洗掉光刻胶形成以SiO₂为掩膜的刻蚀窗口；（4）、利用密闭且冷凝循环的刻蚀装置在磁力搅拌加热器上实现刻蚀气体的阵列结构刻蚀。该方法可突破TMAH湿法刻蚀同时实现硅结构刻蚀表面粗糙度较小，凸角保护良好，结构阵列刻蚀均匀性良好，速率稳定的技术难题，可用于微传感器、微执行器等微纳器件图形结构的加工工艺。

技术领域

本发明属于硅晶圆湿法刻蚀领域，具体是一种基于TMAH溶液气相刻蚀方式的新型刻蚀方法。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，晶圆的关键尺寸不断缩小，单晶硅的各向异性湿法刻蚀被广泛用于各种微电子机械系统（MEMS）器件，比如压力传感器、加速度传感器。湿法刻蚀是一种液体中进行的化学反应过程，相比与反应离子刻蚀等干法刻蚀，湿法刻蚀技术具有刻蚀深度均一，三维结构丰富，生产效率高等优点，工艺制作过程相对简单，且加工成本也更为低廉。常用的湿法刻蚀液为氢氧化钾（KOH）和四甲基氢氧化铵（Tetramethylammonium hydroxide，TMAH）。KOH一方面会引入金属离子污染，另一方面针对SiO₂做掩膜单晶硅刻蚀选择比较差，TMAH是一种具有优良刻蚀性能的各向异性刻蚀液，选择性好、低毒性、低污染，与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容。TMAH水浴湿法刻蚀速率及粗糙度与溶液的浓度、温度有关。根据报道，刻蚀浓度介于5%～40%（质量百分比），刻蚀温度介于60～90℃，温度越高，湿法刻蚀速率越快。当浓度为5%，温度90℃时速率为1.5µm/min，会在刻蚀结构表面会形成小山丘状起伏，表面粗糙度达到几微米；当浓度为22%，温度为90℃时速率降低至不到1µm/min，刻蚀表面依然会出现桔皮状起伏，表面粗糙度约为100nm；当浓度为40%，温度为90℃时刻蚀速率约为0.5µm/min。在水浴湿法刻蚀方法中，刻蚀结构的凸角处许多不同晶面同时暴露在腐蚀剂中，造成相当大的过度蚀刻，从而导致定义形状的严重变形。此外，水浴湿法刻蚀、干法刻蚀都无法实现结构阵列均匀性较好的刻蚀，其中深反应离子刻蚀（DRIE）均匀性为5.4%～10%。传统的刻蚀方法还未能同时获得光滑刻蚀表面、较快刻蚀速率、阵列结构均匀性良好、刻蚀边线良好的刻蚀方法。为解决如何利用湿法刻蚀技术加工结构边线良好、刻蚀均匀性较好且粗糙度较低结构的问题，本发明提出了一种基于TMAH溶液气相刻蚀方式的新型刻蚀方法。

发明内容

本发明为解决采用常规TMAH水浴湿法刻蚀等技术方案带来的刻蚀结构边线不规整，刻蚀表面粗糙度较大，结构阵列刻蚀均匀性较差等问题，同时也为解决晶圆水浴刻蚀无法实现背面结构保护的问题，提出了一种基于TMAH气相刻蚀方式新型刻蚀方法。

为达到上述目的，本发明采用技术方案如下：

一种基于TMAH的气相刻蚀方法，包括如下步骤：

（1）、在单晶硅基片上利用热氧生长一层SiO₂掩膜层薄膜；

（2）、利用紫外光刻实现在基片图形化工艺；

（3）、利用光刻胶做掩膜，采用体积比HF：NH4F=1:4配制BOE溶液刻蚀SiO₂，丙酮洗掉光刻胶形成以SiO₂为掩膜的刻蚀窗口；

（4）、利用密闭且冷凝循环的刻蚀装置在磁力搅拌加热器上实现刻蚀气体的阵列结构刻蚀。