KOH versus TMAH voor anisotroop etsen van silicium: etssnelheid, maskers en CMOS-compatibiliteit
KOH en TMAH zijn allebei alkalische oplossingen die silicium met sterk verschillende snelheden oplossen, afhankelijk van het kristalvlak. De (111)-vlakken etsen veel langzamer dan de andere, dus op een (100)-wafer verschijnen ze als zijwanden met een helling van ongeveer 54,7°, waarmee je V-groeven, piramidevormige putjes en dunne membranen kunt maken. KOH is goedkoop, heeft een groot snelheidsverschil tussen de vlakken en wordt al lang gebruikt voor bulk-micromachining van MEMS. Kaliumionen verstoren echter de eigenschappen van transistors, dus KOH mag niet in een CMOS-proces komen. TMAH bevat geen metaalionen, is daardoor makkelijker met CMOS te combineren en kan oxidemaskers gebruiken, maar het snelheidsverschil tussen de vlakken is kleiner. Het wordt ook via de huid opgenomen en kan ernstige vergiftiging veroorzaken, dus het vraagt bijzonder zorgvuldige omgang.
| Kenmerk | KOH | TMAH |
|---|---|---|
| Samenstelling en omstandigheden | Waterige kaliumhydroxide, typisch ongeveer 20 tot 40 gew.% bij ongeveer 60 tot 90 °C | Waterige tetramethylammoniumhydroxide (een metaalvrije organische base), typisch ongeveer 5 tot 25 gew.% bij ongeveer 70 tot 90 °C |
| Typische etssnelheid van (100) | Typisch rond 1 µm per minuut (varieert sterk met concentratie en temperatuur) | Typisch ongeveer 0,3 tot 1 µm per minuut, vaak trager dan KOH |
| Snelheidsverhouding (100) tot (111) | Groot: typisch meer dan 100, en onder sommige omstandigheden enkele honderden | Kleiner: typisch enkele tientallen (vanaf ongeveer tien) |
| Bruikbare maskers | Siliciumnitride (LPCVD) is het best; SiO2 etst met een niet te verwaarlozen snelheid, dus lange etsstappen vragen een dikke laag | SiO2 etst zeer langzaam, dus thermisch oxide werkt goed als masker; siliciumnitride kan ook worden gebruikt |
| CMOS-compatibiliteit | Slecht: kaliumionen dringen als mobiele ionen in het gateoxide en verschuiven de drempelspanning, dus KOH wordt buiten het CMOS-proces gehouden; het tast ook aluminium snel aan | Goed: het bevat geen metaalionen, dus het kan worden gebruikt voor MEMS-bewerking nadat de CMOS-schakelingen zijn gebouwd (post-CMOS); het tast aluminium aan, maar er zijn omstandigheden bekend die de aantasting beperken, zoals silicium in de oplossing oplossen |
| Oppervlakteruwheid | Bij hogere concentraties zijn relatief gladde oppervlakken makkelijker te verkrijgen | Bij lage concentratie ontstaan op (100)-oppervlakken vaak kleine piramidevormige heuveltjes; een hogere concentratie geeft gladdere oppervlakken maar trager etsen |
| Veiligheid en omgang | Een sterke base die ernstige schade aan huid en ogen veroorzaakt; goedkoop en makkelijk te hanteren | Naast een sterke base kan het via de huid worden opgenomen en de signaaloverdracht van zenuwen naar spieren blokkeren, wat systemische vergiftiging zoals ademstilstand kan veroorzaken; geconcentreerde oplossingen zijn bijzonder gevaarlijk |
| Typische toepassingen | Bulkbewerking van MEMS zonder schakelingen, zoals membranen van druksensoren, V-groeven voor het uitlijnen van glasvezels, inkjetnozzles en gaten door de wafer | Vrijmaken van MEMS-structuren die op dezelfde chip als schakelingen zijn gebouwd (zoals thermische sensoren), en anisotroop etsen van silicium waarbij verontreiniging met metaalionen moet worden vermeden |
De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.