摘要：TMAH是一种具有优良的腐蚀性能的各向异性腐蚀剂，选择性好，无毒且不污染环境，最重要的是TMAH与CMOS工艺相兼容，符合SOC的发展趋势。TMAH正逐渐替代KOH和其他腐蚀液，成为实现MEMS工艺中微三维结构的主要腐蚀剂。本文着重介绍了TMAH的特性、工艺条件及应用。

1 引 言
MEMS是一个多学科、多领域交叉的新兴学科，主要研究传感器、执行机构及微小机械结构。其工艺由IC工艺发展而来，主要包括清洗、氧化、扩散、光刻、腐蚀、气相沉积、封装等。与IC工艺不同的是，MEMS工艺突破了平面工艺的局限，可实现各种微机械结构。微三维结构是MEMS中一个最重要的分支，主要有悬臂梁、硅桥、微流体通道、腔体等。微三维结构的实现与各向异性腐蚀密切相关。各向于VLSI(超大规模集成电路)的腐蚀工艺的，因其优良的性能，正逐渐地进入MEMS工艺中取代
KOH，成为微三维结构主要实现方法的腐蚀剂。
2 TMAH 的性质
2．1 TMAH的主要物理性质
TMAH (Tetramethyl ammonium hydroxide)全称为四甲基氢氧化氨，分子式为(CH )4NOH，为无色结晶(常含3，5等结晶水)，极易吸潮，在空气中能迅速吸收二氧化碳，130℃时分解为甲醇和三甲胺。工艺中通常使用的是10％和25％的水
溶液，无色无味。
2．2 TMAH与其他各向异性腐蚀液的比较
目前在MEMS工艺中使用的其他各向异性腐蚀剂主要有两类， 一类是有机腐蚀剂，主要有EPW (乙二胺，邻苯二酸和水)、联胺等；另一类是碱性腐蚀液， 主要有KOH，NaoH， CsOH，NH4OH等。这两类腐蚀剂都有缺陷，其中EPW 和联胺腐蚀性能很好，但因有剧毒，不易操作。KOH具有选择性好、腐蚀速度快、表面平整等优点，在工艺中得到广泛的应用，但不足的是KOH属于强碱性溶液，会污染环境，且带有金属离子，比较适合后处理工艺。KOH 和TMAH 是目前MEMS工艺中最常用的各向异性腐蚀剂。系统级芯片(SOC)的出现使得上述腐蚀液的缺点更加突出，TMAH因其优良的腐蚀性能，正逐渐取代KOH和EPW 等腐蚀液的地位，它具有以下优点：
(1)与CMOS工艺兼容，CMOS工艺中最致命的杂质就是金属离子，而TMAH 中不含金属离子，对集成在同一个芯片上的IC电路不造成伤害；

(2)具有与KOH接近的腐蚀速度和选择比，腐蚀表面效果好；

(3)不腐蚀SiO2和Si3N4， 可以选用SiO2或Si3N4作为掩模；

(4)无毒无污染，操作方便。

3 实验装置
本实验用50nlnl(2英寸)的p型单晶硅片，实验装置如图1所示，使用恒温水浴锅得到稳定的实验温度。各个实验片互相平行放置以减小实验误差。先调节控制面板，设定所需的温度，开始加热，用温度计观察烧杯里的溶液温度， 当溶液温度与水浴锅里的温度一致，并达到设定温度时，才将硅片放入。在腐蚀过程中，不断搅拌，使溶液保持流通，防止出现局部溶液浓度过低的现象。

实验还对(100)、(110)、(111)面分别进行腐蚀以得到TMAH全面的腐蚀特性。整个实验
的工艺流程如下：
a．标准清洗硅片，用1号液、2号液分别煮沸5 min；

b．采用干湿氧化， 氧化温度为1 100℃ ，O流量为4 L／s， 先通干氧10 min， 再通湿氧40 min，最后再干氧10 min，SiO2的厚度约为500 nm ；

c．采用正胶光刻出方形窗口；

d．BUFFER溶液腐蚀6 min，将窗口的SiO2腐蚀干净，形成良好的台阶，以便测量腐蚀的深度；

e．去胶后用台阶仪测量台阶的高度，即腐蚀前的高度，记录数据；

f．将实验片放入实验装置(如图1所示)，在不同条件下，进行TMAH腐蚀；

g．将不同实验条件的硅片分开处理，测量台阶(即腐蚀后高度)高度，记录数据；

h．腐蚀深度即为腐蚀前后台阶高度之差，由此得出 AH的腐蚀特性。

4 实验结果
4．1 搅拌对腐蚀速率的影响
表1的数据是(100)面在不同温度不同时间下的实验数据，整个实验过程中不搅拌溶液。从图2可以观察到，在同样温度下，随着腐蚀时间的增加，腐蚀速率有减缓的趋势， 以9O℃为例，1 rnin时，速率为927．9nm／~n，3 rnin时，平均速率稍有减慢， 为841．7 nm／~n， 到5 IrIin，7 IrIin时，则分别降为818．8和800．1 nm／~n。

经过反复的实验，发现导致TMAH腐蚀速率逐渐减缓的原因是没有对溶液进行搅拌。随着反应的进行，硅片表面附近的溶液浓度有所降低，因此导致了腐蚀速率略为下降。在实验装置上增加了搅拌器，使得腐蚀速率基本上保持均匀，问题得到了解决。因此可见，对于TMAH腐蚀来说，如果要精确控制腐蚀的深度，搅拌是一项很重要的操作。
4．2 (100)面的腐蚀特性
图3为不同温度下TMAH (25％)的平均腐蚀速率。从图中可以看出，TMAH的腐蚀速率与温度成正比，温度对腐蚀速率影响很大，每提高1O℃ ，平均腐蚀速率大约增加300 nm／min，70，80，9O℃ 是常用的腐蚀温度，腐蚀速率分别为300，600，900nm／~ n。

4．3 TMAH对其他面的腐蚀特性
根据实验的数据发现，TMAH对(11O)面的腐蚀速率约为(100)面的1．5倍，而对(111)面的腐蚀则相当缓慢，约为同等条件下(100)面腐蚀速率的数十分之一。在溶液浓度为25％ ，温度为8O℃ 的条件下， (100)面和(111)面腐蚀的比率R(1mJR(1l。)约为3O。其他条件下略有不同。由此可见TMAH的晶向选择性很好。
4．4 TMAH对SiO2和Si3N4的腐蚀特性
TMAH基本上不腐蚀sio2和Si ， 因此可选用SiO：和Si3N 做掩模。这也是比KOH优越的地方，例如在电容式压力传感器的工艺中，石英玻璃与硅片绑定后，对硅片进行各向异性腐蚀时，KOH就不能用了，因为KOH在腐蚀硅的同时，也会腐蚀SiO：，而导致玻璃被腐蚀。
5 结 论
通过对TMAH 的腐蚀特性研究可以看出，

1．TMAH具有较高的腐蚀速率， 在90℃温度下，TMAH (25％) 的腐蚀平均速率可达到900 nm／rain，接近KOH 的腐蚀速率；

2．TMAH晶向选择性好，相对于(100)面的腐蚀速率来说，其他面的腐蚀几乎可以忽略；

3．TMAH基本上不腐蚀SiO2和Si3N ， 因此便于选用SiO2和si3N 做掩模；

4．最重要的是TMAH不含金属离子，与CMOS工艺兼容性好，符合MEMS的发展趋势— — 系统芯片(SOt)；5．无毒无污染、便于操作。

鉴于以上优点，TMAH正逐渐地取代KOH，成为微三维结构主要实现方法的腐蚀剂。