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邁可諾技術(shù)有限公司
主營產(chǎn)品： 美國Laurell勻膠機(jī),WS1000濕法刻蝕機(jī),Cargille光學(xué)凝膠,EDC-650顯影機(jī),NOVASCAN紫外臭氧清洗機(jī) |
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2020-11-20 閱讀(7488)
硅的各向異性濕法腐蝕是一種常用的制造微機(jī)械結(jié)構(gòu)的體硅微加工技術(shù)，因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)相對容易，成本也相對低廉。而且，在大多數(shù)工藝中不需要消耗電力資源。
在這一過程中，其反應(yīng)為：Si+4H2O->Si(OH)4+2H2
氫氧根離子沒有明確出現(xiàn)在反應(yīng)中，但它十分重要，因?yàn)樗呋磻?yīng)并確保Si(OH)4產(chǎn)物在溶液中的溶解度。腐蝕的速率取決于溫度、蝕刻劑組成和表面的晶體學(xué)取向關(guān)系。值得注意的是，因?yàn)檫@種反應(yīng)只涉及到化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)半導(dǎo)體的電位被外部電源改變使，它的反應(yīng)速率卻不受影響。
各向異性
所有堿性蝕刻劑對硅的腐蝕都是各向異性的，蝕刻速率依賴于晶體取向。Zkuai的腐蝕面通常是(100)，而(111)腐蝕率Zdi，其分解速率受限于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。對各向同性蝕刻劑而言，分解由與半導(dǎo)體反應(yīng)的離子的擴(kuò)散速率決定。各向異性可以由表面輪廓清楚地觀察。如果(100)的硅晶片表面由蝕刻掩模圖案化，腐蝕面受(111)限制，終侵蝕坑的形狀是一個(gè)v型槽或一個(gè)倒金字塔。腐蝕的邊與(110)對齊，與蝕刻掩模的初始形狀無關(guān)。
(100)硅各向異性蝕刻后的掃描電鏡照片和示意圖。注意,蝕刻掩模的初始形狀并不是方形的。腐蝕條件：TMAH，80℃
由于各向異性，在(100)硅上的結(jié)構(gòu)尺寸總是受小尺寸限制。< 100 >和< 111 >之間的夾角是54.74°。因此,一個(gè)蝕刻的深坑深度A其小寬度為2A/ tan(54.74°)。
蝕刻深度為A的深坑所需掩模的小寬度
使用（110）硅晶圓可能可以改善濕法刻蝕的低高寬比。由于起限制作用的(111)面垂直于(110)面。因此,蝕刻坑的側(cè)壁和表面之間的角度為90°[Kendall, 1979]。然而,(110)硅晶圓并不是現(xiàn)今IC制程的標(biāo)準(zhǔn)晶片，(100)晶片通常用于微加工。
有許多理論試圖解釋硅的各向異性腐蝕(例如[Elwenspoek,1993-1996], [Kendall, 1990], [Palik, 1985], [Seide, 1990])，但確切的機(jī)制尚不清楚。有理論使用表面原子懸掛鍵的數(shù)量來解釋各向異性：即(111)面的表面原子是與晶格中的三個(gè)原子結(jié)合，而只有一個(gè)懸掛鍵；(100)面的表面原子原子是與晶格中的二個(gè)原子結(jié)合，有兩個(gè)懸掛鍵。因此,(100)表面活性比(111)面高的多。但這也只給出各向異性蝕刻一個(gè)定性的理解，無法解釋各向異性的刻蝕比通常超過100[Bressers,1995]。
凸角結(jié)構(gòu)
各向異性蝕刻的性質(zhì)意味著凹角的形成是非常直截了當(dāng)?shù)?。然?凸角的出現(xiàn)非常復(fù)雜。當(dāng)一個(gè)自支撐的結(jié)構(gòu),比如體硅微機(jī)械加速度計(jì)的激振質(zhì)量塊在制造的過程中，凸角的暴露是不可避免的。在凸角處，許多不同晶面同時(shí)暴露在腐蝕劑，導(dǎo)致相當(dāng)大的過度蝕刻。對于大多數(shù)微加工的工藝來說，這是不可取的，因?yàn)樗鼘?dǎo)致了定義的形狀(質(zhì)量)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤。不同的角度補(bǔ)償掩膜已經(jīng)應(yīng)用到制作方角（[Enoksson, 1997], [vanKampen, 1995], [Mayer, 1990])。Z簡單的結(jié)構(gòu)包含一個(gè)沿著（100）面的懸臂梁，其寬度應(yīng)該是蝕刻深度的兩倍。
刻蝕掩膜
其暴露于溶液中的晶片的一部分被蝕刻掩模來定義，蝕刻劑應(yīng)對蝕刻掩模材料具有高的選擇性（蝕刻速率比）。常用的材料是氧化硅和氮化硅、惰性金屬，例如金，鉑，也被用于此目的。
常用的蝕刻劑
Z常用的腐蝕劑是乙二胺鄰苯二酚（EDP）、肼、KOH溶液和四甲基氫氧化銨（TMAH）。前兩者劇毒，處理過程中需要特別小心。相比之下，后二者更受歡迎。KOH系蝕刻劑是無毒的，并具有相對高的蝕刻速率和高的各向異性比（各向異性比是[100]/[111]的蝕刻速率的比值）。但是，由于移動(dòng)的K+離子污染，它不與CMOS工藝兼容。蝕刻之后，無法進(jìn)行熱處理。在近幾年中，TMAH蝕刻劑得到了廣泛的關(guān)注，因?yàn)樗?兼容CMOS的。四甲基銨離子是相當(dāng)大的，不擴(kuò)散進(jìn)入硅晶格中。另一個(gè)有趣的特征是通過加入硅或硅酸[Sarro，1998]可能鈍化鋁金屬化。相比KOH溶液的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對氧化硅的選擇性高。這意味著，相對薄的層的氧化硅可以用作蝕刻掩模。TMAH溶液刻蝕速率比的KOH溶液低，并且它們也有一個(gè)較低的各向異性比（通常為4倍）。因此，用現(xiàn)有的凸角補(bǔ)償結(jié)構(gòu)實(shí)際上不可能產(chǎn)生良好定義的凸角。一種有效的角補(bǔ)償結(jié)構(gòu)是不可能的，因?yàn)樗某叽缛菀鬃兊眠^大。
硅和掩膜的蝕刻速率
(100)取向的Si蝕刻速率作為溫度和TMAH溶液濃度的函數(shù)(5％(a)，15％(b)，20％(c)25％(d))
上圖顯示在不同的TMAH溶液中，溫度65℃和95℃之間測得的蝕刻速率為[Sarro，1998]。注意，較高濃度導(dǎo)致更低的蝕刻速率，較高的溫度導(dǎo)致更高的蝕刻速率。在80℃，濃度33%的典型KOH溶液中腐蝕速率為120μm/h[Kwa，1995]。這是相同溫度下25%TMAH溶液的蝕刻速率的4倍。
不同掩模層的蝕刻速率(PECVD氧化物(a)中，PECVD氮化硅(b)，熱氧化物(c)和LPCVD氮化硅(d))的隨溫度在5％和25％的TMAH溶液的函數(shù)
該圖顯示不同的蝕刻掩模層（PECVD氧化硅，PECVD氮化硅，熱生長的氧化硅和LPCVD氮化硅）的蝕刻速率。[Sarro，1998]?；旧吓c硅刻蝕的趨勢是相同的：較低的濃度，較高的蝕刻速率和較高的溫度導(dǎo)致更高的蝕刻速率。注意，所有的層具有非常低的蝕刻速率，因此適合作為材料的蝕刻掩模。比較之下，熱生長的氧化硅在80℃的25％的TMAH溶液的蝕刻速度僅有12nm/h，而相同溫度下33％的KOH溶液的蝕刻速率高達(dá)1000nm/h。這表明TMAH溶液對氧化硅具有相當(dāng)高的選擇性。TMAH的選擇比為2500:1，KOH為120:1。
表面形貌
重要的是,對于許多傳感器應(yīng)用，蝕刻半導(dǎo)體產(chǎn)生一個(gè)平滑的表面[Kwa，1995]。表面形態(tài)取決于蝕刻條件。
在80℃蝕刻的硅表面的SEM照片，5％(左圖)和25％(右圖)TMAH溶液
在該圖中顯示了以不同的TMAH溶液進(jìn)行蝕刻的兩種表面。高濃度（>20％）的溶液比用低濃度的溶液趨向于產(chǎn)生較平滑的停止面。因?yàn)楦邼舛纫矊?dǎo)致較低的蝕刻速率，蝕刻速率和表面粗糙度之間存在一個(gè)平衡點(diǎn)。對TMAH溶液而言，溫度對表面形態(tài)并不重要。由圖中可以看出，表面的粗糙主要為錐體小丘。小丘形成的確切機(jī)制尚不清楚。有一種說法是，小丘是由于刻蝕過程中產(chǎn)生的氫氣氣泡附著在表面，從而產(chǎn)生局部蝕刻掩模[Campbell, 1995]。在溶液中加入氧氣以減少小丘形成曾被報(bào)道，因?yàn)闅錃馀c氧氣反應(yīng)形成水。另一個(gè)理論認(rèn)為，在蝕刻工藝期間形成小丘是來自硅烷(SiH4)的少量沉積物。SiH4只有在低濃度OH-才能穩(wěn)定存在，這很好的解釋了表面形貌由濃度決定[Bressers，1996]。據(jù)觀察，在陽極極化或加入氧化劑進(jìn)行蝕刻能抑制小丘的產(chǎn)生，得到平滑的表面。因?yàn)樵谶@種情況下，氫氣的生成速率是不變的。Bressers認(rèn)為小丘的形成不可能是由于氫氣泡。
