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摘要
? ? ? 在傳統(tǒng)的微機電系統(tǒng)制造中，相對惰性的化合物如Si3N4被用作蝕刻停止層或掩模，用于在晶片上形成圖案。然而，這樣的材料需要了解它們對應(yīng)于襯底材料的蝕刻選擇性，并且不適合高溫器件。當(dāng)開發(fā)這些高溫兼容器件時，需要由碳化硅組成的部件，并且由于其化學(xué)惰性，可以用作蝕刻停止層。對于這些應(yīng)用，襯底或犧牲層通常是硅或二氧化硅.在加工過程中先進的化學(xué)濃度控制技術(shù)對于能夠保持一致的蝕刻速率、受控的蝕刻深度以及保持所需的圖案形狀至關(guān)重要。利用近紅外技術(shù)，可以監(jiān)測鍍液中化學(xué)物質(zhì)的濃度以及硅和二氧化硅蝕刻產(chǎn)生的副產(chǎn)品的濃度.然后，該系統(tǒng)可以增加槽的壽命和在批次內(nèi)和批次間一致蝕刻的能力。本文介紹了先進濃度控制的機理，用三甲基氯化銨或氫氧化鉀刻蝕硅的結(jié)果，以及它在碳化硅集成器件中的應(yīng)用前景。
介紹
? ? ? 在過去的20年里，由于碳化硅在常規(guī)蝕刻溶液中具有化學(xué)惰性的特性，人們一直在研究將其作為體微機械加工中傳統(tǒng)蝕刻停止層的替代品。由于其熱特性，碳化硅也是高溫器件的理想材料。制造燃料霧化器、壓力傳感器和微制造模具等器件的應(yīng)用可以使用典型的濕法蝕刻技術(shù)，并利用碳化硅層的特性，使其具有化學(xué)抗性.1特別是對于硅微機電系統(tǒng)器件，大面積襯底至關(guān)重要。由于制造單晶襯底的困難，人們對在硅上外延生長單晶和多晶碳化硅層非常感興趣。沉積后，大塊蝕刻能夠產(chǎn)生適合所需器件的微結(jié)構(gòu)和圖案。
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實驗
? ? ? 濕法化學(xué)工藝在全自動GAMA濕法加工站進行，使用200毫米晶圓，具有典型的空腔結(jié)構(gòu)。TMAH被用作堿性蝕刻劑，其濃度適于實現(xiàn)最大蝕刻速率。在隨后的太陽能晶片測試中，氫氧化鉀被用作堿性蝕刻劑，方法與上述相同。硅蝕刻工藝是在瑙拉-阿克倫的原位化學(xué)濃度控制系統(tǒng)的幫助下進行的。偶爾，采集浴槽樣品并滴定，以便與系統(tǒng)讀數(shù)進行比較。TMAH測試的目標(biāo)是通過在整個過程中保持一致的蝕刻速率來完全蝕刻晶片。對于氫氧化鉀測試，測量了一致的蝕刻速率和反射率，以確保系統(tǒng)的多功能性。
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結(jié)果和討論
? ? ? 從圖3中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)啟動濃度控制過程時，熔池處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，將上限和下限的所有參數(shù)設(shè)置為維持化學(xué)濃度的允許值是很重要的。在圖3中，當(dāng)硅濃度達到5 g/L時，從槽中排出并添加到槽中的化學(xué)物質(zhì)的平衡體積允許濃度保持在5 g/L。該系統(tǒng)不會自行校正以顯著減少浴中的硅量，因為這會對工藝產(chǎn)生太多干擾。
? ? ? 在此過程中，三氧化二氫的濃度也保持在一個穩(wěn)定的濃度，從而使鍍液在一段較長的時間內(nèi)保持在三氧化二氫濃度和硅濃度之間的平衡。TMAH的恒定濃度也允許系統(tǒng)保持恒定的蝕刻速率，該速率在系統(tǒng)被激活之前和之后被監(jiān)控。在整個實驗過程中，生產(chǎn)蝕刻速率是相同的，同等蝕刻速率與正常條件下的蝕刻速率相當(dāng)。這種動態(tài)平衡可以保持幾周甚至幾個月，這取決于工藝和工廠的需求，如圖所示，數(shù)據(jù)收集了11天，結(jié)果一致。碳化硅蝕刻工藝的一個好處是，材料本身對用于體硅蝕刻的正常化學(xué)濃度是惰性的，因此，已經(jīng)建立了跟蹤典型體硅蝕刻浴中硅酸鹽副產(chǎn)物所需的模型。
? ? ? 圖6和圖7分別示出了在沒有該濃度控制方案的情況下和之后被蝕刻的氧化物的例子。從圖中可以明顯看出，每次運行對電導(dǎo)率的調(diào)整導(dǎo)致二氧化硅的蝕刻更加均勻。
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圖3 用11天內(nèi)測量的蝕刻速率測量鍍液中的三氧化二氫和硅的濃度
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圖6 溶解二氧化硅對蝕刻速率和槽液的影響傳導(dǎo)性
結(jié)論
? ? ? 結(jié)果表明，Naura-Akrion的新型閉環(huán)濃度控制系統(tǒng)允許使用最少的蝕刻劑，如TMAH或KOH，同時仍然保持所需的蝕刻速率。這減少了輸送到廢物流中的化學(xué)品量，降低了該工藝的總體擁有成本。它還允許晶圓加工批次內(nèi)和批次間的一致結(jié)果，有效減少了在特定批次或時間后更換槽的需要，具體取決于工藝要求。這不僅節(jié)省了更多的化學(xué)成本，而且從長遠來看，在發(fā)生化學(xué)變化后，還減少了檢驗浴槽的總時間。碳化硅器件制造的當(dāng)前狀態(tài)包括必須蝕刻的體硅上的沉積膜。使用閉環(huán)濃度控制，該過程更穩(wěn)定，制造成本更低。
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