ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ АНИЗОТРОПНОГО ЖИДКОСТНОГО ТРАВЛЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

  • С.В. Малохатко Южный федеральный университет
  • Д.А. Бакшевников Южный федеральный университет
  • Е.Ю. Гусев Южный федеральный университет
Ключевые слова: Объемная микрообработка, анизотропное жидкостное травление, кремний, гидроксид калия, концентрация, температура

Аннотация

Основным материалом большинства механических сенсоров является кремний. Для
формирования кремниевых структур используют методы объемной микрообработки –
глубокое травление подложки. Для формирования структур, к которым предъявляются
высокие требования по точности размеров и воспроизводимости, традиционно применя-
ют анизотропное жидкостное травление. В качестве травителя при этом используют
водный раствор щелочи. Определение оптимального режима по концентрации и темпера-
туре раствора позволит получить относительно однородную, гладкую поверхность при
высокой скорости травления. В работе проведено экспериментальное исследование влия-
ния концентрации (20-40%) и температуры (60–80°С) водного раствора KOH на скорость
травления монокристаллического кремния, а также морфологию поверхности в условиях
длительного процесса травления. Значения скорости травления в 20%, 30% и 40% раство-
ре для выбранного температурного диапазона составили 0,68-2,0 мкм/мин,
0,77–2,4 мкм/мин и 0,7–1,9 мкм/мин, соответственно. Проведен анализ морфологии по-
верхности кремния на глубине 270 мкм. Установлено, что при концентрации раствора
КОН 20% и 80°С формируется развитая морфология поверхности с шероховатостью –
400 нм; понижение температуры раствора позволяет получить более ровную поверхность
с остаточной шероховатостью ~ 340 нм. При концентрации раствора КОН 30% поверх-
ность более однородна c шероховатостью ~ 100 нм; изменение температуры от 60 до
80 °С практически не оказывает влияние на ее морфологию. При концентрации раствора
КОН 40% и 80°С исходный рельеф поверхности травления достаточно развит ~ 340 нм, а
снижение температуры раствора до 60°С позволяет свести его до состояния, характер-
ного условию травления при 30% и температуре 80°С.

Литература

1. Malohatko S. V., Gusev E. Yu., Jityaeva J. Y. Proyektirovaniye i formirovaniye kremniyevykh
membran dlya akusticheskikh datchikov [Design and formation of silicon membranes for
acoustic sensors], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences],
2019, No. 6, pp. 53-61.
2. Nanotekhnologii v mikroelektronike [Nanotechnologies in microelectronics], ed. by
O.A. Ageeva, B.G. Konoplyova. Moscow: Nauka, 2019, 511 p. ISBN 978-5-02-040201-0.
3. Pal P., Sato K. Complex three dimensional structures in Si {100} using wet bulk micromachining,
Micromechanics and Microengineering, 2009, Vol. 19 (10), 105008.
4. Negi S., Bhandari R. Silicon isotropic and anisotropic etching for MEMS applications, Microsystem
Technologies, 2013, Vol. 19 (2), pp. 203–210.
5. Franssila Sami. Anisotropic Wet Etching, Introduction to Microfabrication, 2010, pp. 237-254.
6. Lu H., Zhang H., Jin M. [et al.]. Two-Layer Microstructures Fabricated by One-Step Anisotropic
Wet Etching of Si in KOH Solution, Micromachines, 2016, Vol. 7 (2), 9.
7. Jing D., Shi-Hua H. Low-reflective surface texturing for large area multicrystalline silicon
using NaOH-NaClO solution, Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 2014, Vol.
50(1), pp. 28-32.
8. Dutta S., Imran M., Kumar P. [et al.]. Comparison of etch characteristics of KOH, TMAH and
EDP for bulk micromachining of silicon (110), Microsystem Technologies, 2011, Vol. 17
(10–11), pp 1621-1628.
9. Shikida M., Sato K., Tokoro K., Uchikawa D. Differences in anisotropic etching properties of
KOH and TMAH solutions, Sensors and Actuators A: Physical, 2000, Vol. 80, No. 2, pp. 179-
188.
10. Xing Y., Haldar S., Sato K. [et al.]. Anisotropic etching in low-concentration KOH: effects of
surfactant concentration, Micro & Nano Letters, 2015, Vol. 10 (4), pp. 224-228.
11. Xu Y., Michael A., Kwok C. Formation of ultra-smooth 45 micromirror on (100) silicon with
low concentration TMAH and surfactant: techniques for enlarging the truly 45 portion, Sensors
and Actuators A: Physical, 2011, Vol. 166(1), pp. 164-171.
12. Munoz D., Carreras P., Escarre J. [et al.]. Optimization of KOH etching process to obtain
textured substrates suitable for heterojunction solar cells fabricated by HWCVD, Thin Solid
Films, 2009, Vol. 517, pp. 3578-3580.
13. Tanaka H., Yamashita S., Abe Y. [et al.]. Fast etching of silicon with a smooth surface in high
temperature ranges near the boiling point of KOH solution, Sensors and Actuators A: Physical,
2004, Vol. 114 (2), pp. 516-520.
14. Zubel I., Kramkowska M. The efect of alcohol additives on etching characteristics in KOH
solutions, Sensors and Actuators A: Physical, 2002, Vol. 101 (3), pp. 255-261.
15. Lee D., Yu K., Krishnamoorthy U. [et al.]. Vertical mirror fabrication combining KOH etch
and DRIE of (110) silicon, Journal of Microelectromechanical Systems, 2009, Vol. 18 (1),
pp. 217-227.
16. Rola K. P. Anisotropic etching of silicon in KOH + Triton X-100 for 45° micromirror applications,
Microsystem Technologies, 2016, Vol. 23(5), pp. 1463-1473.
17. Narasimha Rao A. V., Swarnalatha V., Pal P. Etching characteristics of Si {110} in 20% KOH
with addition of hydroxylamine for the fabrication of bulk micromachined MEMS, Micro and
Nano Systems Letters, 2017, Vol. 5, No. 23, pp. 1-9.
18. Pautkin V.E., Abdullin F.A., Vergazov I.R. [i dr.]. Issledovanie travlenoy v rastvore gidroksida
kaliya poverkhnosti kremniya [Investigation of the silicon surface etched in a solution of potassium
hydroxide], Izvestiya vuzov. Priborostroenie [Izvestiya vuzov. Instrumentation], 2018,
Vol. 61, No. 10, pp. 915-921.
19. Malokhatko S.V., Gusev E.Yu. Issledovaniye maskiruyushchikh svoystv plenok oksida
kremniya dlya sozdaniya kremniyevykh membran metodom zhidkostnogo travleniya [Research
of masking properties of silicon oxide films for silicon membrane fabrication by wet
etching], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2020,
No. 6, pp. 196-203.
20. Seidel H., Csepregi L., Heuberge A [et al.]. Anisotropic Etching of Crystalline Silicon in Alkaline
Solutions. I. Orientation Dependence and Behavior of Passivation Layers, Journal of the
Electrochemical Society, 1990, Vol. 137 (11), pp. 3612-3625.
21. Seidel H., Csepregi L., Heuberge A [et al.]. Anisotropic Etching of Crystalline Silicon in Alkaline
Solutions. II. Influence of Dopants, Journal of the Electrochemical Society, 1990, Vol.
137 (11), pp. 3626-3632.
Опубликован
2021-08-11
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ II. ЭЛЕКТРОНИКА И НАНОТЕХНОЛОГИИ