MEMS工藝——

硅微加工工藝（腐蝕）梁 庭

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Liangting@目前一頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)內(nèi)容腐蝕工藝簡介濕法腐蝕干法刻蝕其他類似加工工藝目前二頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)腐蝕工藝簡介腐蝕是指一種材料在它所處的環(huán)境中由于另一種材料的作用而造成的緩慢的損害的現(xiàn)象。然而在不同的科學(xué)領(lǐng)域?qū)Ωg這一概念則有完全不同的理解方式。在微加工工藝中，腐蝕工藝是用來“可控性”的“去除”材料的工藝。目前三頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)大部分的微加工工藝基于“Top-Down”的加工思想。“Top-Down”加工思想：通過去掉多余材料的方法，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的加工。（雕刻——泥人）腐蝕工藝簡介——腐蝕工藝重要性作為實(shí)現(xiàn)“去除”步驟的腐蝕工藝是形成特定平面及三維結(jié)構(gòu)過程中，最為關(guān)鍵的一步。目前四頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)目前五頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)目前六頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)濕法腐蝕濕法腐蝕——“濕”式腐蝕方法，基于溶液狀態(tài)的腐蝕劑。濕法腐蝕工藝特點(diǎn)：設(shè)備簡單，操作簡便，成本低可控參數(shù)多，適于研發(fā)受外界環(huán)境影響大濃度、溫度、攪拌、時(shí)間有些材料難以腐蝕目前七頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)濕法腐蝕——方向性各向同性腐蝕——腐蝕速率在不同方向上沒有差別各向異性腐蝕——對(duì)不同的晶面的腐蝕速率有明顯差別利用各向異性腐蝕特性，可以腐蝕出各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。目前八頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)各向異性腐蝕和各向同性腐蝕目前九頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)硅腐蝕方法：干法和濕法腐蝕方向選擇性：各向同性和各向異性腐蝕材料選擇性：選擇性刻蝕或非選擇性刻蝕選擇方法：晶向和掩模多種腐蝕技術(shù)的應(yīng)用：體硅工藝（三維技術(shù)），表面硅工藝（準(zhǔn)三維技術(shù)）目前十頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)目前十一頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)目前十二頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)硅的各向異性腐蝕是利用腐蝕液對(duì)單晶硅不同晶向腐蝕速率不同的特性，使用抗蝕材料作掩膜，用光刻、干法腐蝕和濕法腐蝕等手段制作掩膜圖形后進(jìn)行的較大深度的腐蝕。機(jī)理：腐蝕液發(fā)射空穴給硅，形成氧化態(tài)Si+，而羥基OH-與Si+形成可溶解的硅氫氧化物的過程。目前十三頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)硅的各向異性腐蝕技術(shù)各向異性(Anisotropy)各向異性腐蝕液通常對(duì)單晶硅(111)面的腐蝕速率與(100)面的腐蝕速率之比很大（1：400）目前十四頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)濕法腐蝕的化學(xué)物理機(jī)制腐蝕——生長晶體生長是典型的各向異性表現(xiàn)。腐蝕作用：晶體生長的反過程目前十五頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)濕法腐蝕的化學(xué)物理機(jī)制腐蝕過程：反應(yīng)物擴(kuò)散到腐蝕液表面反應(yīng)物與腐蝕表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)物的生成物擴(kuò)散到溶液中去目前十六頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)各向異性腐蝕簡單小結(jié)：粗糙晶面腐蝕比光滑晶面快。（111）面在腐蝕過程中會(huì)因表面重建或吸附變得更平坦，因而容易在腐蝕過程中顯露出來。理想晶體平滑面腐蝕速率的激活能和化學(xué)反應(yīng)的能量勢(shì)差以及液體傳輸有關(guān)。前者的作用是各向異性的，后者是各向同性的。表面重構(gòu)狀態(tài)影響著腐蝕速率的變化不同的腐蝕劑中，不同陽離子會(huì)影響腐蝕過程中特殊面的穩(wěn)定性，因而導(dǎo)致腐蝕結(jié)果不同。目前十七頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)各向異性腐蝕的特點(diǎn)：腐蝕速率比各項(xiàng)同性腐蝕慢，速率僅能達(dá)到1um/min腐蝕速率受溫度影響在腐蝕過程中需要將溫度升高到100℃左右，從而影響到許多光刻膠的使用目前十八頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)各向異性腐蝕液腐蝕液：無機(jī)腐蝕液：KOH,NaOH,LiOH,NH4OH等；有機(jī)腐蝕液：EPW、TMAH和聯(lián)胺等。常用體硅腐蝕液：氫氧化鉀(KOH)系列溶液；EPW(E：乙二胺，P：鄰苯二酚，W：水)系列溶液。乙二胺(NH2(CH2)2NH2)鄰苯二酚(C6H4(OH)2)水(H2O)目前十九頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)1.KOHsystemKOH是目前在微機(jī)電領(lǐng)域中最常使用的非等向蝕刻液，為一堿金屬之強(qiáng)堿蝕刻液，其金屬雜質(zhì)會(huì)破壞CMOS的氧化層電性，所以不兼容于IC制程；但因其價(jià)格低廉、溶液配制簡單、對(duì)硅(100)蝕刻速率也較其它的蝕刻液為快，更重要的是操作時(shí)穩(wěn)定、無毒性、又無色，可以觀察蝕刻反應(yīng)的情況，是目前最常使用的蝕刻液之一。目前二十頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)1.KOHsystem溶劑：水，也有用異丙醇(IPA)溶液：20%-50%KOH溫度：60–80oC速率：~1um/分鐘特點(diǎn)：鏡面，易于控制，兼容性差目前二十一頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)2.EDPsystemEPW[NH2(CH2)2NH2乙二胺，C6H4(OH2)2(鄰苯二酚)，H2O]特點(diǎn)：蒸氣有毒，時(shí)效較差，P+選擇性好目前二十二頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)EDP腐蝕條件腐蝕溫度：115℃左右反應(yīng)容器在甘油池內(nèi)加熱，加熱均勻；防止乙二胺揮發(fā)，冷凝回流；磁裝置攪拌，保證腐蝕液均勻；在反應(yīng)時(shí)通氮?dú)饧右员Ｗo(hù)。掩膜層：用SiO2，厚度4000埃以上。目前二十三頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)3、N2H4

（聯(lián)氨、無水肼）為有機(jī)、無色的水溶液，具有很強(qiáng)的毒性及揮發(fā)性，在50oC以上就會(huì)揮發(fā)，故操作時(shí)需在良好裝置下及密閉容器中進(jìn)行。其優(yōu)點(diǎn)包括相容于IC制程，對(duì)于氧化硅(SiO)及氮化硅(SiN)等介電材料蝕刻率低，Ti、Al、Cr、Au及Pt等金屬也無明顯蝕刻反應(yīng)，Ti和Al是目前最常用的金屬材料，蝕刻時(shí)不需有其它的保護(hù)層，降低了制程的復(fù)雜性。目前二十四頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)4、TMAH

氫氧化四鉀銨為有機(jī)、無色之水溶液，原本為半導(dǎo)體制程中正膠的顯影液，但目前亦應(yīng)用于蝕刻制程中。TMAH的毒性低為其最大優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于SiO及SiN等介電材料蝕刻率低；對(duì)于Ti和Al有明顯的蝕刻，在蝕刻組件前需加入適當(dāng)?shù)墓璺勰?，降低?duì)鋁的蝕刻率，亦可加入酸來降低蝕刻液的pH值，如酸與鋁會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硅鋁酸鹽，硅鋁酸鹽對(duì)蝕刻液有較好的抵抗能力，可以保護(hù)鋁材的電路。TMAH的蝕刻反應(yīng)過程會(huì)因操作參數(shù)不同而有極大的差異，且長時(shí)間蝕刻蝕刻液亦不穩(wěn)定。此外，適用于硅微加工的高濃度TMAH(>15%)價(jià)格高昂，都是無法廣泛應(yīng)用的原因。目前二十五頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)腐蝕設(shè)備目前二十六頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)硅和硅氧化物典型的腐蝕速率材料腐蝕劑腐蝕速率硅在<100>晶向KOH0.25-1.4m/min硅在<100>晶向EDP0.75m/min二氧化硅KOH40-80nm/h二氧化硅EDP12nm/h氮化硅KOH5nm/h氮化硅EDP6nm/h目前二十七頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)影響腐蝕質(zhì)量因素晶格方向腐蝕溶液的選擇腐蝕溶液的濃度腐蝕時(shí)間操作溫度溫度攪拌方式目前二十八頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)111面凹角停止100方向硅片的腐蝕特點(diǎn)目前二十九頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)110方向硅片的腐蝕特點(diǎn)

目前三十頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)目前三十一頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)(1)溶液及配比影響各向異性腐蝕的主要因素目前三十二頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)(2)溫度目前三十三頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)各向同性腐蝕

硅的各向同性腐蝕在半導(dǎo)體工藝中以及在微機(jī)械加工技術(shù)中有著極為廣泛的應(yīng)用。常用的腐蝕液為HF-HNO3加水或者乙酸系統(tǒng)。腐蝕機(jī)理為：首先是硝酸同硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成SiO2，然后有HF將SiO2溶解。目前三十四頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：無尖角，較低應(yīng)力刻蝕速度快可用光刻膠掩膜目前主要的各向同性腐蝕液為：NHA和HNWH：氫氟酸(HF)N：硝酸(HNO3)A：乙酸(CH3COOH)W:Water目前三十五頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)目前三十六頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)三、自停止腐蝕技術(shù)機(jī)理：EPW和KOH對(duì)硅的腐蝕在摻雜濃度小于11019cm-3時(shí)基本為常數(shù)，超過該濃度時(shí)，腐蝕速率與摻雜硼濃度的4次方成反比，達(dá)到一定的濃度時(shí)，腐蝕速率很小，甚至可以認(rèn)為腐蝕“停止”。目前三十七頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)（1）重?fù)诫s自停止腐蝕(KOH和EDP：51013/cm3)（2）(111)面停止（3）時(shí)間控制（4）P-N結(jié)自停止腐蝕（5）電化學(xué)自停止腐蝕重?fù)诫s自停止腐蝕目前三十八頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)自停止腐蝕典型工藝流程目前三十九頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)1、薄膜自停止腐蝕薄膜自停止腐蝕是指晶片刻蝕到最后，終止于其它不會(huì)被刻蝕所影響的薄膜，這層薄膜可以是氧化硅、氮化硅、富硅氮化硅、聚酰亞胺，甚至是金屬。利用薄膜自停止腐蝕必須考慮刻蝕選擇性，以及薄膜應(yīng)力問題，因?yàn)閼?yīng)力太大將使薄膜發(fā)生破裂。目前四十頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)3、（111）面自停止腐蝕KOH溶液對(duì)（100）和（111）面硅的腐蝕速率差別很大，可高達(dá)100～400倍，因此可利用（111）面作為停止腐蝕的晶面。目前四十一頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)（111）面自停止腐蝕工藝流程目前四十二頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)腐蝕保護(hù)技術(shù)如果硅晶片表面已經(jīng)形成一些圖案，其中部分薄膜會(huì)被腐蝕液所影響，所以必須利用腐蝕保護(hù)技術(shù)來保護(hù)已完成的結(jié)構(gòu)。目前常用的保護(hù)技術(shù)有兩種：一是制作夾具或用膠將整個(gè)面保護(hù)??；另一種是淀積氮化硅將正面包住，待背后腐蝕完后再將氮化硅去除目前四十三頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)目前四十四頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)薄膜殘余應(yīng)力問題薄膜應(yīng)力引起結(jié)構(gòu)破裂的問題，主要分為兩大類：第一類是制造過程的殘留熱應(yīng)力、高溫淀積后回歸常溫，由于熱膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的殘留熱應(yīng)力；這種殘留熱應(yīng)力可由高溫退火的方式達(dá)到一定消除；第二類是薄膜間因膨脹系數(shù)不同造成的殘余應(yīng)力目前四十五頁\總數(shù)五十一頁\編于十四點(diǎn)凸角腐蝕補(bǔ)償凸角腐蝕是指在硅島或硅梁的腐蝕成型過程中，凸角部分被腐蝕掉的現(xiàn)象，體硅各向異性腐蝕時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)，這是因?yàn)閷?duì)(100)晶面的