刻蚀工艺 | 在硅片上加工盲孔阵列

在硅片上加工盲孔阵列（Blind Hole Array）是MEMS、3D封装、TSV（硅通孔）等领域的核心工艺之一。盲孔（未穿透硅片的孔）的加工需要高精度控制深度、侧壁形貌和底部平整度。以下是详细的加工流程与技术方案：

1. 盲孔阵列加工流程

(1) 设计与掩膜准备

设计参数：

孔径：1 μm ~ 100 μm（取决于应用）。

孔深：通常为硅片厚度的10%~90%（需避免穿透）。

阵列排布：方形/六边形密排，间距≥1.5倍孔径以防塌陷。

掩膜版：

使用铬（Cr）或氧化硅硬掩膜，图形化为孔阵列图案。

(2) 硅片清洗与预处理

RCA清洗：去除有机/金属污染（SC1+SC2）。

表面活化：氧等离子处理（增强光刻胶附着力）。

(3) 光刻图形化

旋涂光刻胶：正胶（如AZ 4620）或负胶（SU-8），厚度需大于目标孔深（如孔深50 μm需胶厚60 μm）。

曝光与显影：

紫外（UV）曝光：适用于>5 μm孔径。

电子束（E-beam）：用于亚微米孔径（需邻近效应校正）。

(4) 刻蚀工艺

① 干法刻蚀（DRIE - Bosch工艺）

工艺参数：

刻蚀气体：SF₆（各向同性刻蚀）。

钝化气体：C₄F₈（保护侧壁）。

循环比例：刻蚀:钝化≈5:3（控制侧壁波纹“Scalloping”）。

深度控制：

通过刻蚀时间调节（速率~2-10 μm/min）。

激光干涉终点检测（精度±1 μm）。

② 湿法刻蚀（各向异性）

溶液：KOH（30wt%，80℃）或TMAH（25wt%，90℃）。

特点：

形成54.7°侧壁角（Si(100)面）。

需SiO₂/Si₃N₄掩膜（KOH不腐蚀氮化硅）。

(5) 刻蚀后处理

去胶与清洗：

O₂等离子灰化去除残留胶。

HF漂洗（去除刻蚀副产物）。

底部平坦化：

浅孔（<10 μm）：CMP抛光。

深孔：短暂回刻（如RIE过刻5%深度）。

在硅片上加工盲孔阵列需根据 孔径、深度、材料 选择匹配的刻蚀技术。DRIE 是高深宽比盲孔的首选，而 湿法刻蚀 适合低成本批量加工。关键是通过 掩膜优化、参数调谐和终点控制 实现高一致性，最终满足MEMS、3D封装等应用需求。