可选择性去除氧化铝的湿式蚀刻法

众所周知，蚀刻是一类用于受控去除材料的常见工艺。氧化铝的蚀刻在各种应用中被发现，包括制造微器件，特别是薄的fi1m磁性结构，更特别是磁头。有各种类型的蚀刻工艺；然而，它们通常都包括将反应物输送到表面、表面反应和从表面输送产物的共同作用。

几个特征被用来描述蚀刻工艺的能力。蚀刻速率是蚀刻材料厚度随时间的减少。更快的蚀刻速率通常是有利的，但必须与控制去除材料总量的能力相平衡。希望整个表面和表面之间的蚀刻均匀。蚀刻过程的各向同性也被考虑。由蚀刻工艺引起的选择性和损害的特征通常控制哪种类型的蚀刻工艺用于特定的应用。表面通常由一种以上的材料组成，其中只有一种材料需要蚀刻。待蚀刻的材料被称为蚀刻材料。底层和周围材料指的是结构中不被蚀刻的其余部分。选择性通常被定义为蚀刻材料的蚀刻速率与结构中不被蚀刻的其他部分的蚀刻速率之比。损害往往与选择性直接相关。如果可以实现完美的选择性，那么只有蚀刻材料会被去除，而其他材料不会发生蚀刻。如果选择性差，那么对其他材料的蚀刻很可能是广泛的，因此被描述为损坏。腐蚀过程的部件和结构中的材料之间的不相容性(通常是化学性质的)也可能导致损坏，例如导致结构腐蚀。

选择性是蚀刻工艺中的一个重要考虑因素，因为需要过蚀刻来确保蚀刻材料的完全去除。过蚀刻指的是需要继续蚀刻，即使蚀刻工艺已经充分去除蚀刻材料以暴露下层。需要过蚀刻，因为在典型的表面上，由于以下原因，表面层存在图案或形貌蚀刻材料厚度的变化，例如由于抗蚀剂掩模的使用。当你向下蚀刻穿过蚀刻材料层时，当较薄的区域被清除时，较厚的区域会有残留的材料。继续蚀刻，直到所有区域，无论是厚的还是薄的，都清除了蚀刻材料。因此，当蚀刻材料层被完全去除时，未被蚀刻的周围材料和底层可能被抛出，并且蚀刻可能已经进一步发生在底层中。发生在周围材料和底层中的蚀刻量以及与蚀刻相关的损伤取决于蚀刻过程的选择性。期望高选择性以避免周围材料和底层的蚀刻和/或损坏。

蚀刻工艺可分为两大类:湿法蚀刻和干法蚀刻。湿法蚀刻在液相或液体环境中进行，其中蚀刻材料从固体转化为可溶于液体的形式用于去除。相比之下，干法蚀刻是在真空中进行的，在真空中，待去除的材料或“蚀刻材料”被转化为气体形式，从而到达表面。与干法蚀刻相比，湿法蚀刻通常更简单、更便宜、更快。一般过程是将待蚀刻的物品放入盛有湿蚀刻剂的容器中。传统湿蚀刻剂的主要成分是:氧化剂，例如过氧化氢或硝酸；溶解氧化表面的酸或碱，例如硫酸或氢氧化铵；和输送反应物和产物的鲁迪介质，例如水或乙酸。蚀刻完成后，移除并清洁物品。湿法蚀刻可以作为批处理来执行，因此可以快速处理大量的项目，并且是可再现的。湿蚀刻的控制是通过调节蚀刻时间(例如在槽中的时间)和蚀刻速率来实现的，蚀刻速率与槽的温度和组成有关。由于效率的原因，湿法蚀刻优于干法蚀刻，但由于选择性差和某些材料的损坏，其应用受到限制。

对于氧化铝的蚀刻，传统的湿法蚀刻有几个缺点。主要问题是氧化铝通常要在同样含有过渡金属的结构上蚀刻。传统的氧化铝湿法蚀刻剂，如:乙二胺四乙酸、浓酸和浓碱，在氧化铝和过渡金属之间的选择性都很差。选择性差会导致结构金属部分的损坏和腐蚀。氧化铝蚀刻材料下面的金属底层暴露出来，并且经常受到损害，影响到在这些金属底层上进行的后续连接。此外，应用于结构以控制蚀刻发生位置的抗蚀剂材料在酸性蚀刻环境中经常失效，对结构产生不利影响。此外，纯度是所有电子材料加工中的关键问题。高腐蚀性物质，如酸和其他反应性很强的物质很难净化。

氧化铝的选择性蚀刻是制造微器件的一个持续问题。通过干法蚀刻进行物理去除是当前的选择方法，但由于氧化铝和过渡金属之间的选择性差而导致的残留问题，这种方法并不理想。因此，持续需要一种用于去除氧化铝的有效蚀刻工艺，该工艺具有改进的选择性，以避免对结构中其它材料的损坏，尤其是防止对由于去除蚀刻材料而暴露的金属层的损坏。

新型湿法蚀刻剂在过渡金属存在下选择性蚀刻氧化铝，通常称为氧化铝，氧化铝和其它过渡金属之间的相对蚀刻速率至少为10比1。新型湿蚀刻剂的化学性质允许在先前通过传统干蚀刻进行的制造步骤中使用湿蚀刻。新型湿法蚀刻剂包含一种或多种络合剂，其与氧化铝离子形成络合物，并进一步稳定溶液中的那些络合物。络合剂在限定的酸碱度范围内的作用提供了氧化铝的选择性去除。络合剂可以选自:腈基三乙酸、腈基三乙酸盐、柠檬酸和柠檬酸盐。通常，总络合剂浓度小于0.5M就足够了。新型含水湿蚀刻剂的一个实施方案利用浓度比为约1∶1的腈三乙酸三钠盐和柠檬酸钠作为络合剂。

该新型湿法蚀刻剂包括缓冲水溶液，其酸碱度在约9至约10之间，优选在9.3至9.7之间，最优选约9.5。酸碱度的选择基于氧化铝离子和目标金属的溶解度特性。过渡金属和金属合金，如:镍铁、镍钒、金、铂、钌和铜，在感兴趣的酸碱度范围内的水溶液中通常表现出两种行为之一。要么金属不受腐蚀(如钌)，要么表现出钝化(如镍、铁和铜)。钝化是指表面在与湿蚀刻剂接触时涂上一层金属氧化物。金属氧化物层保护金属不与湿蚀刻剂进一步反应，从而用作阻挡层。因此，过渡金属层的任何进一步蚀刻(如果有的话)只会非常缓慢地发生。

新型湿蚀刻剂还可以包括一种或多种润湿剂。在湿法蚀刻中，待蚀刻的物品从空气中开始，然后放入含水环境中。气泡可能会被截留在小特征中，从而阻碍均匀蚀刻。润湿剂防止或减少气泡的形成。合适的润湿剂必须在感兴趣的酸碱度范围内对水溶液稳定。通过实验，新型湿法蚀刻剂在整个晶片上显示出均匀的蚀刻速率，从而增加了对蚀刻过程的控制。新型湿蚀刻剂的一个建议应用是制造磁头。磁头的制造包括在晶片上重复应用金属和介电材料的加法、减法和图案化工艺。晶片随后被切割成单个头部，用于安装到诸如硬盘驱动器的设备中。完整的磁头是一种分层结构，包含磁活性特征和导电特征，这些特征依赖于绝缘体层，例如氧化铝，以便正确操作。磁活性特征和导电特征通常由过渡金属和金属合金组成，包括但不限于:铜、金、铂、钌、钴、镍、铁、镍铁合金、镍钒合金及其合金。包括磁头在内的结构内的磁电路和电路的完成，需要通过蚀刻绝缘体来控制减法，最常见的是氧化铝。

图2示出了示例磁头的横截面。磁头包括读取器部分和写入器部分。写入器由两个磁极组成，即顶部磁极和底部磁极，它们在磁头的空气轴承表面处通过写入间隙彼此分开。此外，两个磁极在远离空气轴承表面的区域通过背通路彼此连接。分别由顶部和底部磁极以及反向通路产生的磁通路径通常称为磁芯。位于两极之间的是由电绝缘层封装的一层或多层导电线圈。为了将数据写入磁性介质，使时变电流或写入电流流过导电线圈。写电流在磁芯中产生时变磁场。磁介质以预定距离通过磁头的空气轴承表面，使得介质的磁表面通过磁写场。写入电流被改变，从而改变磁写入场的强度和方向。

图2

本方法总体上涉及氧化铝蚀刻工艺的改进。该新型湿法蚀刻溶液将络合剂与酸碱度控制相结合，以提高在过渡金属存在下蚀刻氧化铝的选择性。新型湿法蚀刻剂与非选择性常规干法蚀刻工艺相比，在制造薄膜磁性结构的过程中，提供了氧化铝中特征的改进蚀刻。