KOH湿法腐蚀中防金属腐蚀工艺研究

刘 勐，刘 欣，张 威，郝一龙

(1.北京大学微米/纳米加工技术国家级重点实验室，北京100871;2.中国人民解放军91550部队，辽宁大连116021)

0 引言

硅微机械加工技术是伴随着MEMS技术的研究、MEMS产品开发而发展起来的准三维加工技术。硅微机械加工技术与硅平面相结合的加工技术，对MEMS技术的研究和发展的重要意义是可想而知的。

KOH湿法腐蚀工艺是体硅工艺中常用的工艺。由于KOH中存在对IC工艺中常用金属电极和设备的污染的K+，所以，通常采用2种方法以避免K+腐蚀金属或对设备的污染，一种是加工完所有的IC工艺后，对硅片表面进行防护，采用的方法主要是夹具防护或者是涂覆黑蜡等;另外一种是先进行KOH湿法腐蚀，然后清洗，完成其余的IC工艺。2种方法都存在一定的缺点，第一种方法中，由于使用夹具造成操作复杂、密封夹具的加工精度不够等原因，易造成腐蚀溶液渗透并对金属电极腐蚀破坏，使用黑蜡等涂覆表面，黑蜡难以去除，污染环境;第二种由于体硅工艺已经完成，再进行IC工艺加工时，容易造成碎片，大大影响器件加工的成品率。

本文详细介绍了采用PROTEK材料对金属电极进行保护的工艺和实验结果，从实验结果可以看出:该工艺有效地避免上述2种方法造成的成品率低、操作复杂等缺点，对采用KOH湿法腐蚀进行体硅加工的MEMS产品批量化生产具有非常重要的意义。

1 MEMS湿法体硅腐蚀工艺

MEMS体硅工艺主要是指在硅衬底上腐蚀、激光加工、机械钻孔等，这里主要关注体硅加工中的湿法腐蚀工艺。

许多腐蚀方法可以用于体硅加工，选择湿法腐蚀还是干法腐蚀基于一系列的因素，包括腐蚀掩膜的选择、金属镀层以及其他材料的曝光处理、腐蚀停止的有效性、腐蚀速率、生成表面的粗糙程度、安全性、操作难度、电路的兼容性、给定加工设备的可用性和加工的成本等［1］。

MEMS加工工艺中比较传统的体硅加工工艺——KOH湿法腐蚀工艺是目前广泛采用的各向异性硅湿法腐蚀工艺［2］。KOH作为MEMS体硅加工工艺最常用的湿法腐蚀剂，由于成本低廉、安全性好、设备成本低、加工批量大、一致性较好而在MEMS体硅加工工艺中得到了广泛的应用。

在传统的MEMS体硅工艺中，基本上是采用先进行IC工艺加工，然后进行KOH体硅加工腐蚀出所需要的结构，接着进行去除K+工艺，最后进行金属电极加工。

MEMS 体硅传统制作工艺流程如下［3～5］:

IC工艺加工→KOH湿法腐蚀形成所需结构→去K+→金属电极形成→划片→电参数测试。

由于在IC加工工艺中，Na+，K+的存在可能对集成电路造成污染，所以，去K+工艺在MEMS体硅KOH腐蚀工艺中具有举足轻重的作用;另外，由于目前的MEMS加工基本上都是借用IC生产线进行加工，在MEMS体硅湿法腐蚀工艺加工过程中，如果先采用了KOH体硅腐蚀工艺，已经无法在代工线上进行其他的工艺加工［6，7］。为了避免K+所造成生产线上的交叉污染，人们采用了很多办法，例如:设计夹具、采用黑蜡进行金属表面防护等工艺措施，以实现如下所述工艺流程:

IC工艺加工→金属电极形成→KOH湿法腐蚀形成所需结构→去K+→划片→电参数测试。

但是这种种措施都有其缺陷，采用夹具保护金属表面，对夹具的加工精度要求高，操作复杂，并且由于夹具体积大而导致生产效率低下。采用黑蜡进行金属表面防护，污染性强，黑蜡去除困难，容易造成金属电极表面的划伤从而造成器件的大批量报废，并且对工作环境的污染也是难以恢复的。

2 采用PROTEK材料进行KOH金属腐蚀防护工艺

PROTEK材料是美国布鲁尔科技公司开发的，可以采用类似光刻胶涂覆方法进行工艺加工，在KOH典型腐蚀和HCl去K+工艺条件下对金属电极进行有效防护的一种新材料。PROTEK由2种材料构成，一种是用来进行器件表面的增粘处理的Primer，另外一种是用来进行防护金属腐蚀的特殊材料ALKALI PROTECTIVE，还有包含去除这2种材料的专用溶剂。布鲁尔科技公司对PROTEK提供基本工艺，但是由于各生产线和实验室的设备情况不一，不能完全按照该公司提供的标准工艺进行操作。本文就是根据一般实验室都具备的匀胶机和烘箱代替了专用设备而开发的适合于普通实验设备的工艺。

PROTEK防护材料的工艺加工过程与光刻工艺中的光刻胶匀胶工艺类似，采用热板或烘箱进行烘胶处理。由于PROTEK材料的特殊性，材料涂覆和烘烤需要多次进行。

实验工艺流程如下:

1)涂覆 Primer:采用普通匀胶机即可，转速设定为1500 r/s，匀胶时间60s;由于采用普通设备，所以，采用倾倒的方法在硅片表面进行滴胶操作，覆盖硅片一半面积以上，滴Primer操作在5 s内完成;

2)Primer烘胶:采用普通烘箱，温度为185℃，时间为180 s;

3)Primer冷却:在室温、洁净条件下水平静置10 min;

4)ALKALI PROTECTIVE涂覆:仍采用普通匀胶机，转速1300 r/s，匀胶时间设定90 s;

5)ALKALI PROTECTIVE烘胶:185℃，时间40 min;

6)冷却:室温冷却2 h;

7)KOH施法腐蚀:80℃，7 h;

8)去 K+，用 HCl进行去 K+工艺，15 min;

9)去胶，去胶操作与普通光刻类似，采用丙酮、乙醇、去离子水冲洗的操作方法，最后为了保证去胶的质量，采用氧等离子体干法去胶10 min;或者采用二甲苯溶剂进行浸泡去胶。

3 抗腐蚀实验

按照上述工艺条件，对加工好金属电极的硅片进行了PROTEK工艺的匀胶和烘干等操作，并且按照KOH腐蚀硅370～400μm，腐蚀速率1μm/s，腐蚀温度80℃，机械搅拌，无过滤的正常工艺条件进行了工艺实验，实验过程与结果如下(所有实验用硅片都是加工好电极的废片，不影响本实验结果):

匀胶、干燥后，Primer和ALKALI PROTECTIVE的涂覆没有出现干涉条纹，如图1所示，可以看出:材料涂覆比较均匀，保形性较好。由于实验环境的影响或者是在操作过程中残留在瓶口或者瓶中的颗粒影响，导致有颗粒在实验硅片表面，由于本实验主要考核PROTEK材料的抗KOH和HCl的腐蚀能力，所以，有表面污染的硅片不再进行以下实验。

图1 PROTEK匀胶、干燥后显微镜相片Fig 1 Microphotograph after coating and baking

将涂覆好PROTEK材料的硅片放置在KOH腐蚀液中(质量分数40%，80℃，机械搅拌无过滤)进行硅材料的KOH腐蚀，硅片厚度430μm。腐蚀不同时间的表面结果如图2所示。

由以上不同腐蚀时间的结果可以看出:硅片表面电极完整，PROTEK材料表面有气泡出现，随着腐蚀时间的增加，气泡逐渐增加，但是PROTEK材料依然可以保护材料表面金属免受KOH腐蚀，图形清晰完整。由此可以看出:PROTEK材料在保护金属免受KOH腐蚀性能方面表现良好。

图2 各个不同时间段硅片表面Fig 2 Surface of the silicon at different time

下面将经过KOH 400 min腐蚀的硅片放入到HCl溶液中进行去除K+工艺，如图3所示。

图3 HCl溶液中浸泡15 min后Fig 3 After soaked in HCl solution for 15 min

由图3可以看出:PROTEK表面气泡继续增加，但是图形表面金属图形完整无腐蚀，表明经过KOH 400min和HCl 15min后，PROTEK材料对硅片表面金属图形的防护作用依然良好。

相对于黑蜡进行硅片的表面防护，PROTEK材料的优点在于易于操作和去除，本实验没有采用供应商提供的工艺和去胶溶剂，也没有采用时间较长的丙酮、乙醇和氧等离子体体干法去胶，而采用价格低廉的二甲苯浸泡去胶。实验结果如图4所示。

图4 二甲苯浸泡15 min后Fig 4 After soaked in dimethylbenzene xylene solution for 15 min

由图4可以看出:在经过二甲苯浸泡15 min后，PROTEK材料去除干净，硅片表面清洁，金属电极完整。

另外，对PROTEK在半导体工艺中常用的HF抗腐蚀能力也进行了实验，实验结果如图5所示。

图5 HF 5 min腐蚀效果Fig 5 Etching effect in HF for 15 min

4 结论

KOH体硅加工工艺是MEMS器件加工的常用工艺，由于K+对集成电路的污染，所以，在进行KOH腐蚀工艺前完成所有的IC工艺加工是MEMS器件加工的趋势。通过利用PROTEK材料所开发的新工艺，可以满足KOH湿法腐蚀工艺和HCl去K+对硅材料表面的防护需要，经过二甲苯浸泡后的实验表明:该材料去除容易，硅材料表面无污染、图形完整。实验表明:PROTEK材料与相关工艺完全可以满足在MEMS体硅工艺加工中，KOH湿法腐蚀和HCl去除K+工艺中对硅表面金属电极的防护作用，并且工艺操作简单方便，材料去除方便，可以有效地提高生产效率和产品质量。

［1］夏伟锋，冯 飞，王 权，等.KOH各向异性腐蚀中预处理对硅表面粗糙度的影响［J］.半导体光电，2010，31(4):579-582.

［2］黄庆安.硅微机械加工技术［M］.北京:科学出版社，1995:51-57.

［3］李德胜，王东红，孙金玮，等.MEMS技术及其应用［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2002:47-78.

［4］Bean K E.An anisotropic etching of silicon［J］.IEEE Trans on Electron Devices，1978，25:1178-1184.

［5］邵海波，王建明.纯铝在KOH-乙醇溶液中的电化学行为［J］.电化学，2004，10(4):430-434.

［6］Li Qingfeng，Bjertum N J.Aluminum as anode for energy storage and conversion:A review［J］.J of Powersources，2002，110:1-10.

［7］格雷戈里·T，科瓦奇 A.微传感器与微执行器全书［M］.张文栋，译.北京:科学出版社，2003:26-28.