KOH濕法腐蝕中防金屬腐蝕工藝研究

劉 勐，劉 欣，張 威，郝一龍

(1.北京大學微米/納米加工技術國家級重點實驗室，北京100871;2.中國人民解放軍91550部隊，遼寧大連116021)

0 引言

硅微機械加工技術是伴隨著MEMS技術的研究、MEMS產品開發而發展起來的準三維加工技術。硅微機械加工技術與硅平面相結合的加工技術，對MEMS技術的研究和發展的重要意義是可想而知的。

KOH濕法腐蝕工藝是體硅工藝中常用的工藝。由于KOH中存在對IC工藝中常用金屬電極和設備的污染的K+，所以，通常采用2種方法以避免K+腐蝕金屬或對設備的污染，一種是加工完所有的IC工藝后，對硅片表面進行防護，采用的方法主要是夾具防護或者是涂覆黑蠟等;另外一種是先進行KOH濕法腐蝕，然后清洗，完成其余的IC工藝。2種方法都存在一定的缺點，第一種方法中，由于使用夾具造成操作復雜、密封夾具的加工精度不夠等原因，易造成腐蝕溶液滲透并對金屬電極腐蝕破壞，使用黑蠟等涂覆表面，黑蠟難以去除，污染環境;第二種由于體硅工藝已經完成，再進行IC工藝加工時，容易造成碎片，大大影響器件加工的成品率。

本文詳細介紹了采用PROTEK材料對金屬電極進行保護的工藝和實驗結果，從實驗結果可以看出:該工藝有效地避免上述2種方法造成的成品率低、操作復雜等缺點，對采用KOH濕法腐蝕進行體硅加工的MEMS產品批量化生產具有非常重要的意義。

1 MEMS濕法體硅腐蝕工藝

MEMS體硅工藝主要是指在硅襯底上腐蝕、激光加工、機械鉆孔等，這里主要關注體硅加工中的濕法腐蝕工藝。

許多腐蝕方法可以用于體硅加工，選擇濕法腐蝕還是干法腐蝕基于一系列的因素，包括腐蝕掩膜的選擇、金屬鍍層以及其他材料的曝光處理、腐蝕停止的有效性、腐蝕速率、生成表面的粗糙程度、安全性、操作難度、電路的兼容性、給定加工設備的可用性和加工的成本等［1］。

MEMS加工工藝中比較傳統的體硅加工工藝——KOH濕法腐蝕工藝是目前廣泛采用的各向異性硅濕法腐蝕工藝［2］。KOH作為MEMS體硅加工工藝最常用的濕法腐蝕劑，由于成本低廉、安全性好、設備成本低、加工批量大、一致性較好而在MEMS體硅加工工藝中得到了廣泛的應用。

在傳統的MEMS體硅工藝中，基本上是采用先進行IC工藝加工，然后進行KOH體硅加工腐蝕出所需要的結構，接著進行去除K+工藝，最后進行金屬電極加工。

MEMS 體硅傳統制作工藝流程如下［3～5］:

IC工藝加工→KOH濕法腐蝕形成所需結構→去K+→金屬電極形成→劃片→電參數測試。

由于在IC加工工藝中，Na+，K+的存在可能對集成電路造成污染，所以，去K+工藝在MEMS體硅KOH腐蝕工藝中具有舉足輕重的作用;另外，由于目前的MEMS加工基本上都是借用IC生產線進行加工，在MEMS體硅濕法腐蝕工藝加工過程中，如果先采用了KOH體硅腐蝕工藝，已經無法在代工線上進行其他的工藝加工［6，7］。為了避免K+所造成生產線上的交叉污染，人們采用了很多辦法，例如:設計夾具、采用黑蠟進行金屬表面防護等工藝措施，以實現如下所述工藝流程:

IC工藝加工→金屬電極形成→KOH濕法腐蝕形成所需結構→去K+→劃片→電參數測試。

但是這種種措施都有其缺陷，采用夾具保護金屬表面，對夾具的加工精度要求高，操作復雜，并且由于夾具體積大而導致生產效率低下。采用黑蠟進行金屬表面防護，污染性強，黑蠟去除困難，容易造成金屬電極表面的劃傷從而造成器件的大批量報廢，并且對工作環境的污染也是難以恢復的。

2 采用PROTEK材料進行KOH金屬腐蝕防護工藝

PROTEK材料是美國布魯爾科技公司開發的，可以采用類似光刻膠涂覆方法進行工藝加工，在KOH典型腐蝕和HCl去K+工藝條件下對金屬電極進行有效防護的一種新材料。PROTEK由2種材料構成，一種是用來進行器件表面的增粘處理的Primer，另外一種是用來進行防護金屬腐蝕的特殊材料ALKALI PROTECTIVE，還有包含去除這2種材料的專用溶劑。布魯爾科技公司對PROTEK提供基本工藝，但是由于各生產線和實驗室的設備情況不一，不能完全按照該公司提供的標準工藝進行操作。本文就是根據一般實驗室都具備的勻膠機和烘箱代替了專用設備而開發的適合于普通實驗設備的工藝。

PROTEK防護材料的工藝加工過程與光刻工藝中的光刻膠勻膠工藝類似，采用熱板或烘箱進行烘膠處理。由于PROTEK材料的特殊性，材料涂覆和烘烤需要多次進行。

實驗工藝流程如下:

1)涂覆 Primer:采用普通勻膠機即可，轉速設定為1500 r/s，勻膠時間60s;由于采用普通設備，所以，采用傾倒的方法在硅片表面進行滴膠操作，覆蓋硅片一半面積以上，滴Primer操作在5 s內完成;

2)Primer烘膠:采用普通烘箱，溫度為185℃，時間為180 s;

3)Primer冷卻:在室溫、潔凈條件下水平靜置10 min;

4)ALKALI PROTECTIVE涂覆:仍采用普通勻膠機，轉速1300 r/s，勻膠時間設定90 s;

5)ALKALI PROTECTIVE烘膠:185℃，時間40 min;

6)冷卻:室溫冷卻2 h;

7)KOH施法腐蝕:80℃，7 h;

8)去 K+，用 HCl進行去 K+工藝，15 min;

9)去膠，去膠操作與普通光刻類似，采用丙酮、乙醇、去離子水沖洗的操作方法，最后為了保證去膠的質量，采用氧等離子體干法去膠10 min;或者采用二甲苯溶劑進行浸泡去膠。

3 抗腐蝕實驗

按照上述工藝條件，對加工好金屬電極的硅片進行了PROTEK工藝的勻膠和烘干等操作，并且按照KOH腐蝕硅370～400μm，腐蝕速率1μm/s，腐蝕溫度80℃，機械攪拌，無過濾的正常工藝條件進行了工藝實驗，實驗過程與結果如下(所有實驗用硅片都是加工好電極的廢片，不影響本實驗結果):

勻膠、干燥后，Primer和ALKALI PROTECTIVE的涂覆沒有出現干涉條紋，如圖1所示，可以看出:材料涂覆比較均勻，保形性較好。由于實驗環境的影響或者是在操作過程中殘留在瓶口或者瓶中的顆粒影響，導致有顆粒在實驗硅片表面，由于本實驗主要考核PROTEK材料的抗KOH和HCl的腐蝕能力，所以，有表面污染的硅片不再進行以下實驗。

圖1 PROTEK勻膠、干燥后顯微鏡相片Fig 1 Microphotograph after coating and baking

將涂覆好PROTEK材料的硅片放置在KOH腐蝕液中(質量分數40%，80℃，機械攪拌無過濾)進行硅材料的KOH腐蝕，硅片厚度430μm。腐蝕不同時間的表面結果如圖2所示。

由以上不同腐蝕時間的結果可以看出:硅片表面電極完整，PROTEK材料表面有氣泡出現，隨著腐蝕時間的增加，氣泡逐漸增加，但是PROTEK材料依然可以保護材料表面金屬免受KOH腐蝕，圖形清晰完整。由此可以看出:PROTEK材料在保護金屬免受KOH腐蝕性能方面表現良好。

圖2 各個不同時間段硅片表面Fig 2 Surface of the silicon at different time

下面將經過KOH 400 min腐蝕的硅片放入到HCl溶液中進行去除K+工藝，如圖3所示。

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

由圖3可以看出:PROTEK表面氣泡繼續增加，但是圖形表面金屬圖形完整無腐蝕，表明經過KOH 400min和HCl 15min后，PROTEK材料對硅片表面金屬圖形的防護作用依然良好。

相對于黑蠟進行硅片的表面防護，PROTEK材料的優點在于易于操作和去除，本實驗沒有采用供應商提供的工藝和去膠溶劑，也沒有采用時間較長的丙酮、乙醇和氧等離子體體干法去膠，而采用價格低廉的二甲苯浸泡去膠。實驗結果如圖4所示。

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

由圖4可以看出:在經過二甲苯浸泡15 min后，PROTEK材料去除干凈，硅片表面清潔，金屬電極完整。

另外，對PROTEK在半導體工藝中常用的HF抗腐蝕能力也進行了實驗，實驗結果如圖5所示。

圖5 HF 5 min腐蝕效果Fig 5 Etching effect in HF for 15 min

4 結論

KOH體硅加工工藝是MEMS器件加工的常用工藝，由于K+對集成電路的污染，所以，在進行KOH腐蝕工藝前完成所有的IC工藝加工是MEMS器件加工的趨勢。通過利用PROTEK材料所開發的新工藝，可以滿足KOH濕法腐蝕工藝和HCl去K+對硅材料表面的防護需要，經過二甲苯浸泡后的實驗表明:該材料去除容易，硅材料表面無污染、圖形完整。實驗表明:PROTEK材料與相關工藝完全可以滿足在MEMS體硅工藝加工中，KOH濕法腐蝕和HCl去除K+工藝中對硅表面金屬電極的防護作用，并且工藝操作簡單方便，材料去除方便，可以有效地提高生產效率和產品質量。

［1］夏偉鋒，馮 飛，王 權，等.KOH各向異性腐蝕中預處理對硅表面粗糙度的影響［J］.半導體光電，2010，31(4):579-582.

［2］黃慶安.硅微機械加工技術［M］.北京:科學出版社，1995:51-57.

［3］李德勝，王東紅，孫金瑋，等.MEMS技術及其應用［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，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.純鋁在KOH-乙醇溶液中的電化學行為［J］.電化學，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.微傳感器與微執行器全書［M］.張文棟，譯.北京:科學出版社，2003:26-28.