台阶仪表征MEMS压力传感器硅槽刻蚀：TMAH80℃下薄膜良率达到92.67%

 

 

当前MEMS压力传感器在汽车、医疗等领域的应用广泛，其中应力敏感薄膜的厚度是影响传感器性能的关键一，因此刻蚀深度合格且均匀性良好的薄膜至关重要。费曼仪器作为薄膜测量技术革新者，致力于为全球工业智造提供精准测量解决方案。Flexfilm探针式台阶仪进行刻蚀深度测试，进行表面粗糙度、表面形貌及均匀性的调控，直接支撑刻蚀深度与均匀性的精准评估。本研究聚焦四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液对硅片刻蚀角度、刻蚀温度对硅深槽速率、硅深槽均匀性的影响，并创新性地通过水浴处理工艺改善表面形貌，准确控制应力薄膜的厚度。

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实验方法

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硅片使用厚度400 μm，N型<100>晶向，电阻率为1–10 Ω·cm的双抛面薄片。TMAH溶液为25%正胶显影液。使用台阶仪进行刻蚀深度测试，扫描电子显微镜进行硅槽平面和剖面形貌测试。

TMAH刻蚀的硅槽结构

本文选择<100>晶向硅片，预留长方形刻蚀窗口的两邻边分别平行于< -110 >和< 110 > 晶向，得到侧壁为<111>面．底面为<100>面，夹角等于53.56°的杯状硅槽结构。

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台阶仪量化刻蚀深度

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温度-时间-刻蚀速率折线图

湿法刻蚀硅深槽的速率受刻蚀温度、刻蚀液浓度、刻蚀液循环速度等较多因素影响，其中刻蚀温度对速率影响最大，本文分析了在 60、70、80、90 ℃条件下的刻蚀速率。

通过台阶仪对刻蚀后的硅片深度测试发现，当TMAH溶液刻蚀温度每上升10 ℃，硅槽刻蚀速率大约增长 0.5~1 倍：

60 ℃时刻蚀速率较慢，速率稳定在 6.7~6.8 μm/h；

70、80 ℃时，刻蚀速率逐步稳定至 15~16 μm/h、19~22 μm/h；

在作业温度为 90 ℃，由于高作业温度导致的高刻蚀速率，能够迅速地完成表面本征氧化层刻蚀，因此其 1~7 h 刻蚀速率稳定在 26~27 μm/h，随后因高温加速刻蚀液挥发，造成刻蚀速率快速下降。

台阶仪量化不同方向的刻蚀深度

各向异性分析表明，80°C时纵向刻蚀深度200.15 μm，横向134.42 μm，保障53.56°侧壁角度。

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台阶仪验证均匀性优化

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刻蚀温度对硅深槽形貌也有很大影响，此湿法硅槽刻蚀温度设定在70~80 ℃最为适宜。

薄膜厚度均匀性是刻蚀硅深槽的一个关键指标，分为单槽内厚度均匀性和片内厚度均匀性，其均匀性计算公式为：

其中 U 为薄膜厚度均匀性，hmax为刻蚀后剩余薄膜厚度最大值，hmin为刻蚀后剩余薄膜厚度最小值，have为刻蚀后剩余薄膜厚度均值。

台阶仪验证刻蚀均匀性分布

在80 °C条件下，台阶仪测量关键均匀性参数：

单槽均匀性：刻蚀深度380.13–380.33 μm（目标380.0μm），计算得 U = 0.039%；

片内合格率：150点位中92.67%符合标准（379.4–380.6 μm），仅11点超差；

表面形貌支撑：SEM显示80 °C时槽底无凹坑（对比90 °C的密集缺陷），与台阶仪的低粗糙度数据一致（均方根差0.122）。

本文用 25%浓度的 TMAH 溶液刻蚀硅深槽结构，从晶向角度分析了硅深槽刻蚀的原理，得出刻蚀角度为 53.36°的结论，并在 60、70、80、90 ℃作业温度条件下进行了刻蚀形貌拉偏试验，通过台阶仪深度测试等方式进行了刻蚀结果对比，得出在80 ℃的作业条件下，有着良好形貌和均匀性，单片片内达到92.67%的高合格率，实现对硅表面结构进行纳米级控制，较好的满足了当前行业对MEMS器件中应力敏感薄膜的要求。

Flexfilm探针式台阶仪

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在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量 

费曼仪器的产品已广泛应用于MEMS器件领域，精准控制纳米至微米级薄膜的均匀性，Flexfilm探针式台阶仪可以精准量化TMAH温度对硅槽刻蚀的调控作用，支撑了高平整度应力敏感薄膜的制备，满足MEMS传感器对刻蚀深度的严苛要求。

原文参考：《四甲基氢氧化铵溶液温度对硅槽刻蚀的研究》

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