Wet_etching湿法腐蚀技术

• NO2是硅的有效氧化剂
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硅的HNA腐蚀-4
• 醋酸的作用
– 常用水代替CH3COOH – 醋酸的电绝缘常数比水低 CH3COOH 6.15 H 2O 81 减少了硝酸的溶解，提高了氧化能力
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硅的HNA腐蚀-5
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硅的HNA腐蚀-6
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典型腐蚀坑
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各向异性硅腐蚀液
●
碱性腐蚀液，例如KOH, NaOH等，腐蚀 可 以得到较平滑的表面。在腐蚀液中加如异丙 醇可以增加(100)和(111)的腐蚀速率比。腐 蚀Al, 有点腐蚀SiO2，基本不腐蚀nitride EDP腐蚀液：和KOH类似，但有毒。不腐 蚀金属（在某些情况下包含Al）和SiO2 TMAH腐蚀液：和EDP类似但无毒，在某些 情况下包含Al，不腐蚀SiO2
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电化学腐蚀效应-4
• 硅片的偏置电压超过OCP，空穴增加氧化加快腐蚀 速率增加 • 若偏置电压进一步增加至钝化势PP，SiO2将形成
– 硅表面钝化，腐蚀停止 – HF/H2O溶液不显示PP，因HF腐蚀S iO2
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电化学腐蚀例
• 用标准CMOS工艺，形成隔离的单 晶硅岛 • 用“开”掩膜版留下硅区 • 采用适当的TMAH腐蚀液，使暴露 的铝不被腐蚀 • N阱偏置电压大于PP，使N阱不被 腐蚀
– – – – 70°C 80°C 90°C 97°C 14um/hr 20um/hr 30um/hr 36um/hr
• •
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EDP 腐蚀-2
• 典型配方:
– – – – 1L 乙二氨，NH2-CH2-CH2-NH2 160g 邻苯二酚， C6H4(OH)2 6g , C4H4N2 133mL H2O NH2(CH2)2NH2+H2ONH2(CH2)2NH3+ +OH-
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搀杂腐蚀自停止层-2
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搀杂腐蚀自停止层-3
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搀杂腐蚀自停止层-4
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硅各向同性腐蚀
• 腐蚀过程包括： - 反应物到表面的输运 - 表面反应 - 反应产物从表面的移走 腐蚀受输运/扩散，或表面反应速率的限制 • 在任何湿法腐蚀中的关键因素： - 氧化剂 （例如H2O2, HNO3) - 能溶解氧化表面的酸 （HF） - 输送反应物的媒介 （H2O， CH3COOH）
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EDP腐蚀-1
• • • 乙二氨，邻苯二酚，水 Ethylene Diamine Pyrocatechol 或称为：EPW （Ethylene Diamine – Pyrocatechol – Water) EDP腐蚀采用的掩膜材料：SiO2, Si3N4, Au, Cr, Ag, Cu, Ta; 会腐蚀 Al 晶向选择性： （111）： （100） ~ 1：35 （100）硅的典型腐蚀速率：
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TMAH腐蚀
• • Tetra Methyl Ammonium Hydroxide 四甲基氢氧氨 MOS和CMOS 兼容 - 无碱性金属存在 - 对SiO2和Al 腐蚀不明显 晶向选择性： （111）：（100） ~ 1：10 ---1：35 典型配方 - 250mL TMAH (25% Aldrich) - 375mL Water - 22g Silicon dust - 90C etching - 1um/min in etching rate
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硅的HNA腐蚀-7
• 区 1： 高HF浓度区，腐蚀曲线平行于硝酸浓度刻度， 腐蚀受硝酸控制。留下少部分氧化物 • 区 2： 高硝酸浓度区，腐蚀曲线平行于氢氟酸浓度刻 度，腐蚀受氢氟酸控制。 • 区 3： 腐蚀受水的影响不大，当HF:HNO3=1:1时，腐 蚀速率下降很快
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搀杂腐蚀自停止层-1
•
乙二氨的离化
–
•
硅的氧化和水的减少 - Si +2OH- +4H2O Si(OH)62- +2H2
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EDP 腐蚀-3
• 需要回流冷凝装置以保证浓度的稳定 • 与MOS和CMOS工艺完全不兼容
– 专门容器回收 – 会锈任何金属 – 腐蚀表面会留下一层棕色的，难以去除
• EDP对凸角的腐蚀比其它任何各向异性腐蚀液都快
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硅的湿法腐蚀
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内容
• • • • • 各向异性腐蚀 EDP，Amine Gallate, TMAH, 联氨 电化学腐蚀 硅各向同性腐蚀 腐蚀自停止
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湿法腐蚀
• 微机械主要是以硅为主体的，硅的加工主要采 用湿法腐蚀实现 • 各向同性腐蚀给出的结构呈圆球状 • 各向异性腐蚀由于对<111>面腐蚀极慢，因此 腐蚀得到的表面较平坦 • 搀杂可以用来停止腐蚀过程，例如P++在KOH • 因为在一定的电势下，硅会产生阳极氧化，从 而可用于腐蚀自停止
• •
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硅的联氨腐蚀
• 也是各向异性腐蚀 • 典型配方
– 100mL N2H4 – 100mL H2O – 2 um/min, 100C
• 联氨腐蚀很危险
– 威力很强的还原剂（火箭燃料） – 易燃液体 – 易自燃-N2H4+H2O2N2+H2O (爆炸)
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电化学腐蚀效应-1
• 控制腐蚀的绝对深度通常很困难 • 腐蚀自停止层可以用来迅速减少腐蚀速率，达到一个比较 精确的控制点 • 硼重搀杂在硅的腐蚀中最常用 • 一些腐蚀液的搀杂腐蚀特性：
– – – – – HNA腐蚀随搀杂浓度增加而增加 KOH腐蚀：硼搀杂>1020cm-3, 速率减小20X NaOH腐蚀：硼搀杂>3x1020cm-3, 速率减小10X EDP腐蚀：硼搀杂>7x1019cm-3, 速率减小50X TMAH腐蚀：硼搀杂>1020cm-3, 速率减小10X
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硅片识别
– N-型硅片（Sb, As, P） – P-型轨片（B, Ga, In）
注意基本边和二次边
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硅的各向异性腐蚀
一般情况下，腐蚀速率： (100)>(110)>(111) (111)晶面族是各向异性腐蚀的停止面 共有八个（111）晶面 (100)硅片上各向异性腐蚀会形成三种基本结构
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电化学腐蚀效应-2
• HF通常腐蚀SiO2, 不腐蚀Si • 通过正向偏置硅，空穴可以通过外部电路注入以氧化硅， 进而被HF溶解 • 可以用Si3N4做掩膜，是抛光腐蚀 • 如果采用浓HF（48%HF）腐蚀，硅在腐蚀过程中不会完全 氧化，最终形成棕色的多空硅
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电化学腐蚀效应-3
V型槽 四面体锥坑 四面锥腔
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硅的各向异性腐蚀
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硅的各向同性和各向异性腐蚀
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硅的各向异性腐蚀
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硅的各向异性腐蚀-凸角和凹角
• 各向异性湿法腐蚀
– 凸角过腐蚀 – 凹角腐蚀停止在111交面
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各向异性腐蚀例
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硅的HNA腐蚀-3
• 硝酸的作用
– 在水中正常溶解：HNO3HNO3- +H+ – 自催化以形成压硝酸和空穴 HNO2+HNO3N2O4+H2O N2O4+HNO22NO2-+2h+ 2NO2-+2h+2HNO2 – 腐蚀剂必须到表面才能和膜反应或腐蚀 – 运动到表面的方式将影响到选择比, 过刻, 和均匀性
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氧化还原反应
•腐蚀是一种电化学过程 •氧化是电子失去的过程， •还原则是电子增加的过程； •氧化还原反应：两种反应的竞争
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硅的HNA腐蚀-1
• HF+HNO3+CH3COOH • 各向同性腐蚀 • 总体反应：
– Si+HNO3+6HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2 – 腐蚀过程是硅的氧化然后被HF溶解的过程 – 硅表面点随即变成氧化或还原点；类似于电 化学电池
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硅的HNA腐蚀-2
• 硅在阳极附近失去电子转为强氧化态： - Si0+h2+Si2+ • 在阴极的NO2不断减少以产生空穴： – 2NO22NO2- +2h+ • 硅和OH-反应生成SiO2: – Si2++2(OH)- Si(OH)2- +2SiO2+H2 • SiO2被HF溶解形成H2SiF6： – SiO2+6HFH2SiF6+2HO2
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与晶向相关的腐蚀
•各向同性腐蚀
所有方向的腐蚀速率是相同的 横向腐蚀速率与纵向近似相等 腐蚀速率与掩膜边缘无关
•各向异性腐蚀


腐蚀速率与晶面有关 横向腐蚀速率可能大于也可能小于垂直腐蚀速率，取决于掩膜版与晶 轴的夹角 掩膜边缘与掩膜图形决定了最终腐蚀的形状
可以用于制造复杂的结构 若未仔细考虑，腐蚀结果会另人惊奇
35250mltmah25aldrich375mlwater22gsilicondust90cetchingetchingrate微机械加工技术100mln2h4100mlh2oummin100c爆炸微机械加工技术1微机械加工技术hf通常腐蚀sio2不腐蚀si通过正向偏置硅空穴可以通过外部电路注入以氧化硅进而被hf溶解如果采用浓hf48hf腐蚀硅在腐蚀过程中不会完全氧化最终形成棕色的多空硅微机械加工技术3微机械加工技术硅片的偏置电压超过ocp空穴增加氧化加快腐蚀速率增加hfh2o溶液不显示pp因hf腐蚀sio2微机械加工技术采用适当的tmah腐蚀液使暴露的铝不被腐蚀n阱偏置电压大于pp使n阱不被腐蚀微机械加工技术反应产物从表面的移走腐蚀受输运扩散或表面反应速率的限制氧化剂例如h2o2hno3输送反应物的媒介h2och3cooh微机械加工技术?腐蚀是一种电化学过程?氧化是电子失去的过程?还原则是电子增加的过程
– 常用于释放悬臂梁结构 – 腐蚀表面较光滑
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EDP腐蚀-4
• EDP腐蚀会产生Si(OH)4的淀积，在Al压焊点上 产生Al(OH)3 • Moser的腐蚀后处理：
– 20 sec, DI water rinse – 120 sec. Dip in 5% (抗坏血酸)ascorbic acid and H2O – 120 sec, rinse in DI water – 60 sec. Dip in (己烷)hexane, C6H14