用于蚀刻冲洗和干燥MEMS晶片的最佳工艺条件实验报告

本研究通过我们华林科纳对使用液体二氧化碳和超临界二氧化碳进行蚀刻和冲洗工艺的各种实验结果，选择合适的共溶剂，获得最佳的工艺条件，以提高工艺效率和生产率。通过基础实验证实丙酮是有效的，并作为本研究中mems晶圆蚀刻的蚀刻溶液，以液体二氧化碳为溶剂，以丙酮为蚀刻溶液，这两种组分混合不均匀，呈相分离现象，下层的液体二氧化碳干扰了蚀刻过程中丙酮与毫米晶片的接触，冲洗和干燥后的效果不佳。根据不同实验条件下的结果，建立了以超临界二氧化碳为溶剂、丙酮为蚀刻溶液、甲醇为冲洗溶液处理MEMS-晶圆的最佳工艺。

通过调节温度和压力，可以表现出与液体相同的密度，因此在洗净工艺时对污染物的溶解能力很好，从而表现出优秀的洗净效率； 即使在干燥过程中，对于超临界流体，表面张力接近于零，清洁液没有从液体到气体的相变，不会发生毛细管力引起的结构粘着。

为了改善这种情况，我们使用了蚀刻液， 设计的工艺是将清洁液单独注入容器中，让超临界流体通过蚀刻液或清洁液容器，使蚀刻液及清洁液与助溶剂作用，完成蚀刻、清洁及干燥工序。 由于不是在有机溶剂中浸泡晶片，预计粘结的可能性将大大降低，蚀刻液和清洁液的使用量预计将减少。

对于上述超临界二氧化碳的干法清洁工艺，可以实现晶片结构的无粘着干燥， 可以解决以往使用的高价超纯和化学溶剂使用量的降低带来的环境污染问题和经济问题。 不仅如此，在今后具有30nm级以下微结构物的新一代半导体清洁、干燥技术中，将成为重要技术。

本研究对传统的连续式工艺进行了改进实验，确认利用超临界二氧化碳对MEMS晶片的粘结及生产率的提高。 与现有工艺一样，用于消除牺牲层的蚀刻用共溶剂有:丙酮； 采用了异丙醇(IPA)或IPA+丙酮溶液，并采用丙酮、IPA或甲醇作为清洁共溶剂，将溶解在蚀刻液中的牺牲层从MEMS晶片中去除。利用各不同型号的全系发射型扫描显微镜，JEOL公司，JSM-7500F，J SM-6390，对清洁和干燥后MEMS晶片进行了分析。

实验使用的二氧化碳纯度为99.5%，蚀刻用公用剂丙酮、IPA以及清洁用公用剂甲醇采用99.9%以上的半导体用高纯度产品。 结构是一种薄而高宽比大的悬臂梁形式的结构，结构与晶片基板之间的高度为1.5微米，结构的最大高宽比约为500左右，共有4种形态模式。 牺牲层是光刻机，实验中利用Dyamond切割机将晶片切割成1cm x 1cm使用，蚀刻和清洁用溶剂和液体二氧化碳（L-CO2）使用超临界二氧化碳（ScCO2）对MEMS晶片进行蚀刻、清洁干燥的工艺度为图1显示。

本研究利用的MEMS-wafer蚀刻液，甲醇、IPA、乙醇无效，而丙酮有效，可见在蚀刻后不清洗的情况下，晶片表面存在异物，需要清洗,如果使用液态二氧化碳，则与丙酮混合不充分，阻碍蚀刻，以清洁,干燥后未取得良好结果，但可知蚀刻时应利用超临界二氧化碳，证实甲醇作为清洁液有效,此外,蚀刻液证实丙酮的实验初期用量为465ml（烘干机的70%），但丙酮量为220ml时也没有蚀刻问题； 以清洁液、甲醇为例，经初始465ml至150ml使用后，发现不发生粘着,根据上述结果和进一步的实验，将丙酮作为超临界流体和蚀刻用的共溶剂； 建立了用甲醇作为清洁用溶剂处理MEMS-wafer的最佳工艺，并以该工艺条件实现了蚀刻、清洁、干燥的连续工艺得到不粘结的MEMS-wafer。

审核编辑：符乾江