si的刻蚀
第七讲 硅的深刻蚀技术
硅的深刻蚀技术硅RIE刻蚀的基本原理含有F, Cl, Br，I单质或者化合物气体均可以作为硅的刻蚀剂，添加一些辅助气体有助于提高它的选择性，常用刻蚀剂组合如：CF4/O2, CF2CL2, CF3CL, SF6/O2/CL2，CCL4, NF3, CCL4, CHF3等不管上述哪一种化合物作为刻蚀剂，在等离子体中都会存在大量的卤素原子，它们以化学吸附方式与硅表面结合，在没有外力作用的情况下，反应生成的产物分离的速率很慢，特别是Cl,Br,I原子更是如此，构成了Si与其它活性成份进一步接触的障碍，但是，当它们得到电子之后，就会与Si 一起离开表面，所以，重掺杂的N型硅会显著增加自发反应的速度。
这种反应是热力学上自发进行的反应，只要使它们相遇便能够促成反应，因此它是各向同性的，从热力学观点出发，按照F, Cl, Br, I顺序，它们与Si自发反应的能力逐渐减弱，I并不常用，可能是它的蒸汽压比较低，与硅的化合物不那么稳定。
各向同性刻蚀的典型剖面高深宽比刻蚀的机理RIE刻蚀效应被分为两种机制：溅射刻蚀化学反应刻蚀研究表明，具有20-40eV以上能量的粒子均有可能通过轰击而使固体表面的原子脱离原来位置，形成溅射刻蚀，它主要是借助离子轰击实现的。
前面曾经讲到离子束刻蚀，方向性是它的重要特征。
化学刻蚀则是借助接触吸附，各向同性地进行，它主要是中性粒子完成的，它的存在需要满足两个方面的条件：1.体系中存在能够形成挥发性化合物的基础物质，并且能够扩散到达硅表面2.最终要挥发的化合物必须有足够的稳定性，以便它一旦形成，便有足够稳定性以减少再次分解的几率。
同时，要创造条件促成其尽快脱离反应界面，如低气压等其实简单地将它们二者相加并不能很好地解释各种实验现象，研究人员发现，中性粒子化学作用与离子轰击相结合所能够产生的刻蚀速率，会十倍于它们单独作用的速率和。
这种倍增的效应被认为是通过提供反应活化能的原理实现的：对于一个普通的化学反应，按照动力学观点，其刻蚀速率：其中Ea是该反应所需要的活化能，也许离子轰击提供了这一克服势垒所必须的能量。
反应离子刻蚀实验
反应离子刻蚀硅阵列实验一、实验目的：1、掌握反应离子刻蚀的基本原理。
2、掌握利用单晶硅刻蚀硅阵列的实验流程。
3、了解刻蚀后的硅阵列的表征方法。
二、实验原理刻蚀技术分为湿法刻蚀和干法刻蚀。
湿法刻蚀是传统的刻蚀工艺，把硅片浸泡在一定的化学试剂或试剂溶液中，使没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分薄膜表面与试剂发生化学反应而被除去，其优点是操作简便、对设备要求低、易于实现大批量生产，并且刻蚀的选择性也好。
但是，它具有各项同性的缺点，即在刻蚀过程不但有所需要的纵向刻蚀，还有不需要的横向刻蚀，因而精度差，线宽一般在3μm以上。
干法刻蚀是应大规模集成电路生产的需要而被开发出的精细加工技术，它具有各项异性的特点，在最大限度上保证了纵向刻蚀，还控制了横向刻蚀。
反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)是干法刻蚀的一种，是以物理溅射为主并兼有化学反应的过程，通过物理溅射实现纵向刻蚀，同时应用化学反应来达到所要求的选择比，其基本工作原理是刻蚀气体（主要是F基和Cl基的气体）在高频电场（频率通常为13.56MHz）作用下产生辉光放电，使气体分子或原子发生电离，形成“等离子体”（Plasma）。
在等离子体中，包含有正离子（Ion+)、负离子（Ion-）、游离基（Radical）和自由电子（e）。
游离基在化学上是很活波的，它与被刻蚀的材料发生化学反应，生成能够由气流带走的挥发性化合物，从而实现化学刻蚀。
而质量较大的正离子，被阴极附近带负电的鞘层电压有效的加速，垂直轰击放置于阴极表面的硅片，以较大的动量进行物理刻蚀，这种离子轰击可大大加快表面的化学反应及反应生成物的脱附，从而导致很高的刻蚀速率。
三、实验装置ME-3A型多功能磁增强反应离子刻蚀机四、实验内容和步骤1. 硅片的清洗：采用RCA标准清洗法进行硅片的清洗，具体步骤：（1）SPM清洗：去除硅片表面的有机污物和部分金属，（2）DHF清洗：去除硅片表面的自然氧化膜，（3）APM清洗（SC-1）：去除硅片表面的颗粒和金属，（4）HPM清洗：去除硅表面的钠、铁、镁和锌等金属污染物。
ICP刻蚀Si_PMMA选择比工艺研究
*I C P 刻蚀 S i / P MMA 选择比工艺研究虎 将，蔡长龙，刘卫国，巩燕龙( 西安工业大学光电微系统研究所，西安 710032)摘 要:为了将聚甲基丙烯酸甲酯( P MM A ) 上的图案等比例的转移到硅基材料上，对基于感应耦合等离子体技术( Inductivel y C oupled Plasma ，I C P ) 的 Si 和 P MM A 的刻蚀速率进行了研究。
结合 英国牛津仪器公司的 I C P 180 刻蚀系统，以 SF 6 和 O 2 混合气体为反应气体，研究了在其他参数相同的情况下，不同气体比例对两种材料刻蚀速率的影响，得到刻蚀速率随气体比例变化的曲线，并得 出了对于 S i 和 P MM A 刻蚀速率相同时的气体比例。
实验发现，如果增加反应气体中 SF 6 的比重， 会加快 S i 的刻蚀速率而降低 P MM A 的刻蚀速率，反之，若降低 SF 6 的比重而增加 O 2 的比重，则会 相应降低 Si 的刻蚀速率而增加 P MM A 的刻蚀速率。
据此，通过调节反应气体的比例，实现对 Si 和 P MM A 的同速率去除。
关键词:等离子体刻蚀;S i / P MM A 选择比;图层转移 DOI 编码:10． 3969 / j ． issn ． 1002 － 2279． 2014． 01． 003中图分类号:O439;T N305． 7 文献标识码:A 文章编号:1002 － 2279(2014)01 － 0009 － 03Techn i c a l S tud y on S e l e c ti on Ｒa ti o o f S i / P MM A B ase d on IC P E t ch i ngHU Jiang ，C AI C hang － long ，L IU Wei － guo ，GONG Yan － long( M i cro － Op ti c － El ec t ro ni cs Sy s t e m s L a bor at or y ，Xi ’an T ec hn o l o gi c al U ni vers ity ，Xi ’an 710032，C hina )Ab st ract :In o rder t o trans f er the pattern f r o m P MM A t o silic o n － based m aterials w ith equal pr o p o rti o n ， the etchin g rate of S i and P M M A based o n inducti v el y c o upled plasm a (I C P ) is studie d ． Co m bined w ith the etchin g s y stem of B ritish O xfo rd instrum ents nam ed I C P 180，the m i x ed g as of S F 6 and O 2 ，as reacti o n g as ，areused t o research the etchin g rate e ff ects of the t w o m aterials b y di ff erent g as rati o under the sam eparam eters ．T he cur v e of etchin g rate chan g e ，w ith the rati o of g as ，and the g as rati o under the sam e etchin g rate are o btaine d ． T he e x perim ents sh ow that the etchin g rate of S i w ill increase ，i f the pr o p o rti o n of S F 6 is increased ， and the etchin g rate of P M M A w ill decrease ． A nd v ice v ersa ，i f the pr o p o rti o n of S F 6 is reduced and the pr o p o r ti o no f O 2 is increased ，the e tchin g r ate o f S i w ill be d ecreased a nd t he e tchin g r ate o f P MM A w ill be increase d ． A cc o rdin g l y ，the sam e etchin g rate of S i and P MM A is o btained b y adjustin g the reacti o n g as rati o ．K ey word s :Plasma etching ;S i / P MM A rati o ;Pattern trans f er一个非常有意义的课题。
Si刻蚀
1.6 Si衬底的使用在利用溶胶—凝胶法制备Bi系薄膜的过程中，衬底的选择非常关键。
对适宜衬底的要求是高电阻率、高热导率、低介电常数和介电损耗以及良好的机械强度。
衬底一般分为4类：(1)AB2CO3型钙钛矿结构如：REBa2SbO6 (RE为稀土元素)；(2)ABO3型钙钛矿结构如：SrTiO3；(3)非钙钛矿结构如：MgO；(4)金属衬底如：Ag。
人们已经尝试在不同的衬底上制备Bi系薄膜[103-117]。
Si是一种人们熟知的半导体材料，由于其优良的机械和电学性能而广泛用于集成电路及器件[118,119]。
与光子学器件相融合，Si衬底可以生长Ge[120]；用于发光二极管、高密度光学存储用紫光激光器等器件，Si衬底生长GaN[121,122]；用于气体传感器、光点探测器等器件，Si衬底可以生长ZnO[123]；将半导体和巨磁阻材料相结合，Si衬底还可以生长La1-x Sr x MnO3[124-126]；Si衬底也可以被用来生长超导材料如MgB2[127]。
通常这些材料都是在Si(100)或者Si(111)面上生长的，Si(110)面由于特殊的重构现象而具有强烈的各向异性，它经常被用作生长低维结构如纳米线[128]。
由于Si在半导体技术和产业中的重要地位，在Si衬底上生长Bi系超导薄膜就显得十分重要。
但是在Si衬底上直接生长Bi系超导薄膜仍然存在许多问题。
1.7 Si衬底表面改型在众多半导体工艺中，刻蚀是决定特征尺寸的核心工艺技术之一，要在Si 衬底上获得一定的结构就需要刻蚀工艺。
刻蚀工艺的目的就是将胶层掩模上的图形尽可能精确地转移到下面的片子上。
结构尺寸越小，对刻蚀工艺的要求也就越高。
一方面要求高度的各向异性；另一方面要求很高的选择性和均匀性。
在实际的生产过程中还要从生产效率的角度考虑，要求提高刻蚀速率。
1.7.1 刻蚀分类刻蚀分为干法刻蚀和湿法刻蚀两类。
干法刻蚀方法以等离子体技术为基础。
这种方法是将被加工的晶片置于等离子体中，在带有腐蚀性、具有一定能量离子的轰击下，反应生成气态物质，去除被刻材料，此种方法具有各向异性，但设备昂贵，过程复杂，单片成本较高。
硅刻蚀
硅刻蚀技术简介在半导体制程中，单晶硅与多晶硅的刻蚀通常包括湿法刻蚀和干法刻蚀，两种方法各有优劣，各有特点。
湿法刻蚀即利用特定的溶液与薄膜间所进行的化学反应来去除薄膜未被光刻胶掩膜覆盖的部分，而达到刻蚀的目的。
因为湿法刻蚀是利用化学反应来进行薄膜的去除，而化学反应本身不具方向性，因此湿法刻蚀过程为等向性。
湿法刻蚀过程可分为三个步骤：1) 化学刻蚀液扩散至待刻蚀材料之表面；2) 刻蚀液与待刻蚀材料发生化学反应； 3) 反应后之产物从刻蚀材料之表面扩散至溶液中，并随溶液排出。
湿法刻蚀之所以在微电子制作过程中被广泛的采用乃由于其具有低成本、高可靠性、高产能及优越的刻蚀选择比等优点。
但相对于干法刻蚀，除了无法定义较细的线宽外，湿法刻蚀仍有以下的缺点：1) 需花费较高成本的反应溶液及去离子水；2) 化学药品处理时人员所遭遇的安全问题；3) 光刻胶掩膜附着性问题；4) 气泡形成及化学腐蚀液无法完全与晶片表面接触所造成的不完全及不均匀的刻蚀。
基于以上种种原因，这里就以下三个方面着重介绍下干法刻蚀。
1、硅等离子体刻蚀工艺的基本原理干法刻蚀是利用射频电源使反应气体生成反应活性高的离子和电子，对硅片进行物理轰击及化学反应，以选择性的去除我们需要去除的区域。
被刻蚀的物质变成挥发性的气体，经抽气系统抽离，最后按照设计图形要求刻蚀出我们需要实现的深度。
干法刻蚀可以实现各向异性，垂直方向的刻蚀速率远大于侧向的。
其原理如图所示，生成CF基的聚合物以进行侧壁掩护，以实现各向异性刻蚀。
刻蚀过程一般来说包含物理溅射性刻蚀和化学反应性刻蚀。
对于物理溅射性刻蚀就是利用辉光放电，将气体解离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，溅击在被蚀刻物的表面，而将被蚀刻物质原子击出（各向异性）。
对于化学反应性刻蚀则是产生化学活性极强的原(分)子团，此原(分)子团扩散至待刻蚀物质的表面，并与待刻蚀物质反应产生挥发性的反应生成物（各向同性），并被真空设备抽离反应腔。
多层高深宽比Si深台阶刻蚀方法
多层高深宽比Si深台阶刻蚀方法刘 鹏,张大成,李 婷,罗 葵,田大宇,李 静(北京大学微电子学研究院,北京 100871)摘要:通过干法刻蚀,在Si衬底上制备出高深宽比的台阶结构是M EMS加工的基础工艺之一。
多层台阶的刻蚀,是一种重要的折线断面制备方法,使实现结构更加复杂的器件成为可能。
利用L PCVD生长1μm厚SiO2作为钝化层,围绕多层台阶掩膜的制备方法和移除方法展开实验,以3层台阶为例,开发出一套使用一块光刻版制造任意宽度的台阶掩膜的方法。
该方法节约成本、操作简便、重复性好,为加工复杂的三维结构提供了一种新的手段。
另外,针对在深刻蚀过程中残留的掩膜会破坏Si台阶完整性的问题,研究了刻蚀过程中SiO2掩膜的去除方法对台阶的表面形貌造成的影响。
通过实验发现,采用干湿腐蚀结合的方法可以有效地去除台阶掩膜,获得良好的Si深台阶结构。
关键词:三维刻蚀;反应离子刻蚀;湿法刻蚀;高深宽比;聚合物中图分类号:T H703;TN30517 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2009)12-0755-03F abrication of High Aspect R atio Muti2Steps on Si by Dry EtchingLiu Peng,Zhang Dacheng,Li Ting,L uo Kui,Tian Dayu,Li Jing(I nstitute of M icroelect ronics,Peking Universit y,B ei j ing100871,China)Abstract:Dry etching of high aspect ratio Si step s is a basic technique in M EMS.Many compli2 cated M EMS2chip s are fabricated by multi2step etching met hod.1μm SiO2as a passive layer was prepared by L PCVD.The experiment s of depo siting and removing passive layers were st udied. And taking t hree step s as an example,a met hod of preparing passive layers by using one mask was developed.Instead of using different masks,t his met hod is economy,easy to operate,and repeatable.What’s more,t he remaining of passive layers may damage t he step surface in t he process of dry etching.Therefore,t he effect of removing met hod of SiO2masks on t he step sur2 face during t he process was st udied.The experiment shows t hat t he met hod combined dry etch2 ing and wet etching can remove t he step mask effectively and obtain a better Si step st ruct ure.K ey w ords:3D etching;RIE;wet etch;high aspect ratio;polymerDOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2009.12.010 EEACC:2575F;25500 引 言台阶刻蚀工艺,不仅能够在Si片表面(x2y 二维平面)内做出不同的图形结构,在垂直于Si 片表面的(z轴)方向也能够实现可控的折线加工,是一种真正的三维微Si结构加工技术。
硅的干法刻蚀
硅的干法刻蚀
硅的干法刻蚀是指在不使用任何化学试剂或溶液的情况下，通过加热和压力来破坏材料表面的氧化层，从而获得所需要的物质。
这种方法通常被称为“空气刻蚀”或“空气刀片”。
干法刻蚀技术已经广泛应用于各个领域，包括半导体、光伏电池等。
它可以用于制造芯片上的多晶硅（Si）层，也可以用于清除表面的杂质和污染物，如氧化物、金属残留物等。
此外，干法刻蚀还能够提高器件性能并降低生产成本。
然而，由于缺乏实验室测试设备，人们对于干法刻蚀技术的了解仍然有限。
因此，在进行干法刻蚀操作之前，建议先进行实验室测试，确保其安全性和可靠性。
同时，在操作过程中，应严格遵守相关规范和标准，避免出现意外事故。
Micromirrors inclined at 45° towards Si substrates
不同溶液各向异性刻蚀面效果SEM扫描图
Fig. 6 SEM images of structures with grooves and micromirrors formed by {110} sidewalls inclined at 45 towards the (100) surface etched in a KOH saturated with IPA, b TMAH with 200 ppm of Triton, c KOH with 20 ppm of Triton and d KOH with 60 ppm of Triton
同种刻蚀碱溶液时，不同晶像衬底的刻蚀效果对比
Fig1.SEM images of the structure etched in Si(100) substrate in 3 M KOH with isopropanol solution
Fig2.SEM images of the structure etched in Si(110) substrate in 10 M KOH solution
Micromirrors inclined at 45° towards Si substrates fabricated by anisotropic etching
中科院南通光电工程中心 杨霖
在{100}Si衬底上刻蚀
实验环境：temperature75oC at atmospheric pressure Solution 1,3 M KOH + 1-propanol 2,3 M KOH + 2-propanol 3,3 M KOH + isobutanol (100) etch rate[μm/min] (110) etch rate[μm/min] 0.54 0.59 0.16 0.16 0.12 0.10
氮化硅的刻蚀及其它应用
氮化硅的刻蚀及其它应用氮化硅（silicon nitride）薄膜是无定形的绝缘材料，具有以下特性：（1）对扩散来说，它具有非常强的掩蔽能力，尤其是钠和水汽在氮化硅中的扩散速度非常慢；（2）通过PECVD可以制备出具有较低压应力的氮化硅薄膜；（3）可以对底层金属实现保形覆盖；（4）薄膜中的针孔很少。
作为选择氧化的掩蔽层时，可以把氮化硅直接淀积到硅衬底的表面上，有时考虑到氮化硅与硅直接接触产生应力，形成界面态，往往在硅表面上先淀积一层二氧化硅作为缓冲层，然后再淀积一层作为掩蔽层的氮化硅。
因氮化硅氧化速度非常慢，只要氮化硅具有一定的厚度，它将保护下面的硅不被氧化。
目前我们就是采用在Si3N4下面再做一层SiO2的方法，使Si3N4起掩蔽的作用，通过一些试验研究出它的干法、湿法刻蚀工艺条件，还发现了它在光刻版上的应用。
1、Si3N4薄膜的制备1.1Si3N4薄膜制备原理氮化硅可替代氧化硅使用，特别是对顶部保护层，在铝金属层上淀积时，其温度要足够低。
PECVD的出现开始了不同化学源的使用，其中之一是硅烷与氨气或氮气在氩气等离子体状态下反应。
3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2然而，PECVD制作的氮化硅往往是非化学配比的，含有相当数量的氢原子（10%～30%），因此有时候化学表示式写为SixNyHz。
由SiH4-N2制备的薄膜含有较少的氢和较多的氮。
PECVD氮化硅的淀积反应式如下：1.2制备Si3N4薄膜利用等离子增强型化学气相淀积，在较低温度生长Si3N4薄膜，选用的设备为PECVD（等离子化学气相淀积）根据以上工艺条件在9000Å氧化层上淀积Si3N4薄膜2、Si3N4薄膜的刻蚀刻蚀是利用化学或物理方式对氧化硅膜、氮化硅膜和金属膜等进行刻蚀加工的工艺。
刻蚀湿法腐蚀和干法刻蚀两种方法。
湿法刻蚀是利用溶液中发生化学反应来进行腐蚀的方法。
以光刻胶作为掩蔽，湿法刻蚀在纵、横两方向将以同样比例进行腐蚀，称此为各向同性腐蚀。
ibe 刻蚀速率 刻蚀深度 工艺参数-概述说明以及解释
ibe 刻蚀速率刻蚀深度工艺参数-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分概述了本文的主要内容和目的。
本文主要介绍IBE（离子束刻蚀）技术中刻蚀速率和刻蚀深度的影响因素以及工艺参数对其的影响。
IBE是一种常用的表面加工技术，其通过使用离子束对材料进行刻蚀，可以用于微纳加工、半导体制造等领域。
刻蚀速率是IBE过程中一个重要的性能指标，它表示单位时间内刻蚀所能达到的深度，影响着刻蚀效率和加工质量。
本文将详细探讨刻蚀速率受离子束能量、角度、离子束流密度等因素的影响，并介绍相关实验方法和测量技术。
刻蚀深度的测量是判断刻蚀效果的重要手段，本文将介绍几种常用的刻蚀深度测量方法，如显微镜观察法、表面轮廓测量法等，并分析它们的优缺点以及适用范围。
此外，工艺参数作为IBE加工过程中的调控因素，对刻蚀速率和刻蚀深度有着重要的影响。
文章将研究不同工艺参数（如离子束能量、离子束流密度、刻蚀时间等）对刻蚀效果的影响，并提出相应的优化建议，以提高IBE技术的加工效率和加工质量。
通过本文的研究和分析，我们可以更全面地了解IBE技术中刻蚀速率和刻蚀深度的关系以及工艺参数的影响，为实际应用和工艺优化提供参考。
文章结构部分的内容可以参考以下写法：1.2 文章结构本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要概述了IBE刻蚀速率、刻蚀深度以及相关的工艺参数的研究背景和意义。
正文部分包括了四个小节。
首先是IBE的介绍，介绍了IBE的基本原理和应用领域。
接着是刻蚀速率的影响因素，主要阐述了影响刻蚀速率的各种因素，如气体成分、压力、功率等。
然后是刻蚀深度的测量方法，详细介绍了几种常用的刻蚀深度测量方法以及其原理和应用。
最后是工艺参数对刻蚀速率和刻蚀深度的影响，主要探讨了不同工艺参数对IBE刻蚀速率和刻蚀深度的影响规律。
结论部分对刻蚀速率和刻蚀深度的关系进行了总结，并提出了对工艺参数的优化建议，以提高IBE的刻蚀效率和精度。
通过以上的文章结构，全面系统地介绍了IBE刻蚀速率、刻蚀深度和工艺参数的相关知识，为读者提供了一个较为清晰的学习框架。
深硅刻蚀工艺原理
硅蚀刻工艺在MEMS中的应用文章来源：本站原创点击数：97 录入时间：2006-4-7减小字体增大字体Dave?Thomas?/?Trikon?Technologies，Newport，Wales，United?Kingdom本文介绍了在现代微机电系统（MEMS；Micro?Electro-Mechanical?System）制造过程中必不可少的硅蚀刻流程，讨论了蚀刻设备对于满足四种基本蚀刻流程的要求并做了比较，包括块体（bulk）、精度（pre cision）、绝缘体上硅芯片（SOI；Silicon?On?Insulator）及高深宽比的蚀刻（high?aspect?ratio?etching）等。
并希望这些基本模块能衍生出可提供具备更高蚀刻率、更好的均匀度、更平滑的蚀刻侧壁及更高的高深宽比的蚀刻能力等蚀刻设备，以满足微机电系统的未来发展需求。
微机电系统是在芯片上集成运动件，如悬臂（cantilever）、薄膜（membrane）、传感器（sensor）、反射镜（mirror）、齿轮（gear）、马达（motor）、共振器（resonator）、阀门（valve）和泵（pump）等。
这些组件都是用微加工技术（micromachining）制造的。
由于硅材料的机械性及电性众所周知，以及它在主流IC制造上的广泛应用，使其成为微加工技术的首要选择材料。
在制造各式各样的坑、洞、齿状等几何形状的方法中，湿式蚀刻具有快速及低成本的优势。
然而，它所具有对硅材料各方向均以相同蚀刻速率进行的等向性（isotropic）蚀刻特性、或者是与硅材料的晶体结构存在的差异性、产生不同蚀刻速率的非等向性（a nisotropic）等蚀刻特性，会限制我们在工艺中对应用制造的特定要求，例如喷墨打印机的细微喷嘴制造（非等向性蚀刻特性总会造成V形沟槽，或具锥状（tapered?walls）的坑洞，使关键尺寸不易控制?）。
而干式蚀刻正可克服这个应用限制，按照标准光刻线法（photolithographic）的光罩所定义的几何图案，此类干式蚀刻工艺可获取具有垂直侧壁的几何图案。
硅的湿法刻蚀工艺研究现状
大连理工大学研究生试卷系别：机械工程学院课程名称：微制造与微机械电子系统学号：21204135姓名：范振喜考试时间：2013年 1 月15 日硅的湿法刻蚀工艺研究现状范振喜（大连理工大学机械工程学院大连）摘要：硅的湿法刻蚀技术是微机械加工中最基础、最关键的技术。
本文系统的总结了近年来硅的湿法刻蚀工艺的研究内容，包括硅的深槽刻蚀工艺、硅刻蚀均匀性技术、超声波技术及Cr掩膜在硅刻蚀中的应用以及用动力学蒙特卡罗法仿真刻蚀过程。
关键词：硅；湿法刻蚀；深槽刻蚀；刻蚀均匀性；超声技术；Cr掩膜；蒙特卡罗Current Study on Silicon Wet Etching TechnologyFAN Zhenxi(Department of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, China)Abstract:Silicon wet etching is the most fundamental and key technology in micro—mechanical processing. This paper summarizes the research contents of silicon wet etching technology during the recent years , including silicon etching process of deep groove, silicon etching uniformity technology, the application of ultrasonic technology and Cr mask in silicon etching and the simulation of etching processing with dynamic Monte Carlo method.Key words: Silicon; wet etching; deep etching;etch uniformity; ultrasonic; Cr mask;Monte Carlo0前言随着电子元器件的小型化发展，微机电系统(MEMS)已成为制作微机械、传感器、控制电路等微器件及其集成于芯片的关键技术。
刻蚀
在半导体制程中，单晶硅与多晶硅的刻蚀通常包括湿法刻蚀和干法刻蚀，两种方法各有优劣，各有特点。
湿法刻蚀即利用特定的溶液与薄膜间所进行的化学反应来去除薄膜未被光刻胶掩膜覆盖的部分，而达到刻蚀的目的。
因为湿法刻蚀是利用化学反应来进行薄膜的去除，而化学反应本身不具方向性，因此湿法刻蚀过程为等向性。
湿法刻蚀过程可分为三个步骤：1) 化学刻蚀液扩散至待刻蚀材料之表面；2) 刻蚀液与待刻蚀材料发生化学反应； 3) 反应后之产物从刻蚀材料之表面扩散至溶液中，并随溶液排出。
湿法刻蚀之所以在微电子制作过程中被广泛的采用乃由于其具有低成本、高可靠性、高产能及优越的刻蚀选择比等优点。
但相对于干法刻蚀，除了无法定义较细的线宽外，湿法刻蚀仍有以下的缺点：1) 需花费较高成本的反应溶液及去离子水；2) 化学药品处理时人员所遭遇的安全问题；3) 光刻胶掩膜附着性问题；4) 气泡形成及化学腐蚀液无法完全与晶片表面接触所造成的不完全及不均匀的刻蚀。
基于以上种种原因，这里就以下三个方面着重介绍下干法刻蚀。
1、硅等离子体刻蚀工艺的基本原理 干法刻蚀是利用射频电源使反应气体生成反应活性高的离子和电子，对硅片进行物理轰击及化学反应，以选择性的去除我们需要去除的区域。
被刻蚀的物质变成挥发性的气体，经抽气系统抽离，最后按照设计图形要求刻蚀出我们需要实现的深度。
干法刻蚀可以实现各向异性，垂直方向的刻蚀速率远大于侧向的。
其原理如图所示，生成CF基的聚合物以进行侧壁掩护，以实现各向异性刻蚀。
刻蚀过程一般来说包含物理溅射性刻蚀和化学反应性刻蚀。
对于物理溅射性刻蚀就是利用辉光放电，将气体解离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，溅击在被蚀刻物的表面，而将被蚀刻物质原子击出（各向异性）。
对于化学反应性刻蚀则是产生化学活性极强的原(分)子团，此原(分)子团扩散至待刻蚀物质的表面，并与待刻蚀物质反应产生挥发性的反应生成物（各向同性），并被真空设备抽离反应腔。
各向异性刻蚀LIGA工艺牺牲层技术硅的各向同性刻蚀湿法
各向异性腐蚀原理
----KOH系统 腐蚀原理
KOH腐蚀系统常用KOH（氢氧化钾）、H2O（水）和（CH3）2CHOH（异 丙醇，缩写为IPA）的混合液。除KOH外，类似的腐蚀剂还有NaOH，LiOH， CsOH和NH4OH腐蚀剂。
早期的研究结果可用以简单说明硅在KOH系统中的腐蚀机制，其腐蚀的反应 式如下：
用于这种化学腐蚀的试剂很多，但是最常用的是HF-HNO3 腐蚀系统，因为它可以避免金属离子的玷污。
各向同性刻蚀的原理
对于HF、HNO3和H2O(或IPA，即异丙醇)刻蚀液，硅表面 的阳极反应为
Si+2e+ >>> Si 2+
这里e+表示空穴，即Si得到空穴后从原来的状态升到较高的氧化 态。腐蚀液中的水解离反应为
Micro-System
硅的各向同性刻蚀 (湿法)
湿法刻蚀是微系统中材料去除技术的一种，尤其在体硅去 除上占据重要地位。硅的湿法刻蚀是先将材料氧化，然后通过 化学反应使一种或多种氧化物溶解。在同一刻蚀液中，由于混 有各种试剂，所以上述两个过程是同时进行的。这种氧化化学 反应要求有阳极和阴极，而刻蚀过程没有外加电压，所以半导 体表面上的点便作为随机分布的局域化阳极和阴极。由于局域 化电解电池作用，半导体表面发生了氧化反应并引起相当大的 腐蚀电流(有报导超过100A/cm2). 每一个局域化区(大于原子尺 度)在一段时间内既起阳极又起阴极作用。如果起阳极和起阴极 作用的时间大致相等，就会形成均匀刻蚀，反之，若两者的时 间相差很大，则出现选择性腐蚀。半导体表面的缺陷、腐蚀液 温度和腐蚀液所含的杂质，以及半导体-腐蚀液界面的吸附过程 等因素对腐蚀的选择性和速率多会有很大的影响。
如果没有IPA时，则反应按下式进行：
等离子体刻蚀多晶硅
等离子体刻蚀多晶硅与刻蚀SiO2相同，选择合适的化学物质刻蚀多晶硅也需要考虑到以下几个因素：副产品挥发性、选择比和各向异性。
另一个需要考虑的因素是，Si表面普遍存在一层天然氧化层，这一氧化层需要在刻蚀初期，用额外的“穿透”步骤去除。
刻蚀多晶硅常采用含氟刻蚀剂，Si和F的化合物SiF4具有很好的挥发性。
然而采用SF6、CF4或CF4／O2刻蚀多晶硅时，等离子体中产生的F自由基的浓度很高，而聚合物的生成相对较少，因而刻蚀会倾向于各向同性。
上一节我们介绍SiO2的刻蚀时，曾提到降低相关氟的组分并增加碳的组分可以提高刻蚀的各向异性，降低自发刻蚀作用，增强离子诱发的刻蚀作用。
添加H2或使用CHF3可以实现这一点。
但这样做也会增加SiO2相对于Si的刻蚀速率，因为在Si上会优先生成一层聚合物。
这一点对刻蚀SiO2是适用的，但对刻蚀多晶硅并不适用，因为我们要提高刻蚀对下层SiO2的选择性。
因而采用含氟物质，难以同时保证各向异性和刻蚀多晶硅对SiO2的选择性。
若对各向异性要求并不高，可以在CF4中加入O2，因O2的加入，Si的刻蚀速率比SiO2的刻蚀速率增加的多，因而刻蚀Si对于SiO2的选择性就提高了，但此时刻蚀会更趋于各向同性。
对于氟化物来说，为了兼顾各向异性和选择性，可以在刻蚀过程中改变化学气体。
开始时选择刻蚀为各向异性，例如采用CF4／H2混合气体，当刻蚀快结束时，可以提高刻蚀对SiO2的选择性，如可采用CF4／O2混合气体。
但这一方法会使多晶硅或多或少地存在钻蚀。
刻蚀多晶硅要同时获得各向异性和良好的选择性，可采用氯化物刻蚀剂。
硅同Cl原子生成副产物的挥发性略低于同F原子生成副产物的挥发性，但仍可以接受。
氯化物如Cl2，HC1或SiCl4都可以用来刻蚀多晶硅。
同采用氟化物刻蚀相比较，氯化物中参与刻蚀的化学物质含量较低，因而对Si的侧向刻蚀相对少一些。
同时由于离子轰击的作用，纵向刻蚀速率显著增长。
这或者是由于离子轰击作用导致了表面化学键的断裂，或者是由于它增强产物的去除作用。
si深度反应离子刻蚀代工
si深度反应离子刻蚀代工1 什么是SI深度反应离子刻蚀？SI深度反应离子刻蚀又称为深度离子刻蚀（DRIE），它是对几何形状复杂的表面特征的高精度形状调整，以减少复杂的微型仿生结构，如微压差装置，高效封装器件，功能表面和量子级元件等互连器件和光电元件等。
它是一项半导体制造工艺，可以获得高精度，低成本，大量生产量，低污染等优势，成为目前半导体封装技术中的一项重要技术。
2 SI深度反应离子刻蚀代工优势SI深度反应离子刻蚀技术可以实现更精细，更精确的形状调整，可以准确掌握几何形状。
优质的刻蚀结构可以有效地改善半导体封装的质量，降低内部接触面对外界的污染，更好地保护元件，提高半导体封装的寿命。
服务商利用这一技术可以实现复杂封装应用，如可编程芯片，排序设备和逻辑设备等。
此外，SI深度反应离子刻蚀代工采用简单的工艺，可以节约生产成本，并且可以在更短的时间内完成生产任务，确保生产效率更高，在节约制造费用的同时提高生产力，更好地实现产品新技术转移及市场开发目标。
3 项目实施的重要性SI深度反应离子刻蚀技术的项目实施及应用是半导体封装行业中重要的一环，因为它可以充分发挥各种元件和先进封装技术的优点，使得更多样化的产品出现在市场中，从而满足客户对高质量产品的需求，也为企业提高客户满意度和市场占有率。
SI深度反应离子刻蚀技术实施项目还可以满足客户更活跃的市场定位，使企业在日趋激烈的竞争中处于有利地位，从而实现企业的卓越和长久的发展目标。
以上就是SI深度反应离子刻蚀代工的相关内容，通过技术的实施，企业能够更快速地准确完成产品的设计，实现优质的封装，获取更高的市场份额和营收，并降低企业的运行成本，节约制造费用，提高企业的市场竞争力。
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1、硅（silicon）湿刻50 ml HF, 50 ml CH3COOH,200 mg KMnO4 (fresh)108 ml HF, 350g NH4F per L H20745 ml HNO3, 105 ml HF,75 mlCH3COOH,75 ml HClO4900ml HNO3, 95 ml HF,5ml CH3COOH, 14g NaClO2KOH NaOHTMAHEDP NH2(CH2)2NH2C6H4(OH) 2C6H4N2/H20HNO3与HF的组合蚀刻SI的时候是等向性的HF腐蚀SIO2，HNO3腐蚀SI。
KOH与C3H8O和水的混合物来蚀刻SI的时候是非等向性的。
比如说V型槽就是通过这种非等向性的机制得到的2、薄膜溅射溅射是微电子制造中，不用蒸发而进行金属膜沉积的主要替代方法。
第一次发现溅射现象是在1852年，Langmuir在20世纪20年代将其发展成为一种薄膜沉积技术。
溅射的台阶覆盖痹霍发好，辐射缺陷远少于电子束蒸发，在制作复合材料膜和合金时性能更好，这些优点使得溅射金属沉积技术成为大多数硅基工艺的最佳选择。
简单的溅射系统sputter.jpg所示。
在真空腔中有一个平行板等离子反应器，非常类似于简单的反应离子刻蚀系统。
对于溅射应用，等离子腔体总归要构造成能使高能离子轰击到溅射靶上，溅射靶含有所要沉积的材料。
溅射时，将靶材料，而不是圆片，放置在具有最大离子流的电极上。
为了收集尽可能多的出射原子，在简单溅射系统中，阴极与阳极相距很近，通常小于10cm。
用某种惰性气体充入此腔体，腔内气体压力维持在0.1Torr左右，这使得平均自由程有几百微米的量级。
由于该工艺的物理特点，可用溅射沉积的金属种类很多。
在溅射元素金属时，因为简单的直流溅射具有较大溅射速率，故优先采用；而溅射绝缘材料如SiO2时，应当用RF等离子体。
如果靶材是合金或化合物，所沉积材料的化学配比会比靶材料略有所不同。
无论如何，当溅射速率不同时，可以看到靶的表面集聚更多的溅射速率较低的材料，这将使沉积薄膜的成分重新接近于靶体材料（只在靶温度足够低，固态扩散受到抑制时才正确），因而溅射不仅对于元素，而且对很宽范围内材料的沉积具有很大吸引力。
太阳电池结构和生产流程早期的硅太阳电池的主体结构，它主要包括：单结的ｐｎ结、指形电极、减反射膜和完全用金属覆盖的背电极。
工业上生产太阳电池流程可以简化成：制备硅片→扩散制结→沉积减反射膜和钝化膜→制成电极→封装。
硅片制备１．单晶硅和多晶硅无论是第一块硅太阳电池，还是现今转换效率最高的ＰＥＲＬ太阳电池，所使用的硅片材料都是悬浮区熔硅。
这种材料的纯度很高，具有完整的晶体结构，几乎不存在复合中心，但是昂贵的价格却限制了它在太阳电池领域的应用。
直拉单晶硅价格虽然有所降低，但是对于大规模地面应用来说还是太昂贵。
多晶硅虽然质量不如单晶硅，但由于无需耗时耗能的拉单晶过程，其生产成本只有单晶硅的１/２０，而且工业中应用吸杂等技术可以维持较高的少子寿命，目前实验室多晶硅太阳电池的效率已达到２０．３％，工业上生产的多晶硅太阳电池的效率也可以达到１３％～１６％，因此，现在太阳电池市场上多晶硅电池的份额已经超过了单晶硅电池。
２．硅带当太阳电池成本降到１美元/Ｗ的时候具有和常规能源竞争的优势，但是无论是用单晶硅还是多晶硅，都存在严重的切割损耗问题，因此很难将单晶硅或多晶硅电池的成本降低到２美元/Ｗ以下。
硅带技术最大的优点在于它完全避免了切割过程，从而大大降低基体的生产成本。
现在硅带工艺较多，主要有颗粒硅带工艺、ＥＦＧ工艺等。
颗粒硅带工艺就是在保护气氛中将硅粉直接加热、融化、退火冷却得到硅带，现在这种技术已经可以拉制出１０ｃｍ宽、４ｍ长的硅带，且其拉制速度可以达到３０ｍｍ/ｍｉｎ，并且可以调节。
在试验室研究阶段，颗粒硅带制备的太阳电池效率最高已经达到８．２５％，成本已经降到０．８美元/W。
EFG是唯一投入大规模生产的硅带工艺，它直接从熔融的硅液中拉制出薄的硅带。
但是一般的硅带都存在缺陷多，表面平整度不高的问题，给后续工艺和电池效率带来了负面影响，因此如何提高硅带质量是硅带工艺面临的最大挑战。
３．层剥离技术在降低成本的同时又取得较高的效率是发展太阳电池制备工艺的最终目标，层剥离技术在这方面有了很大的发展。
层剥离工艺概述如下：在悬浮区熔硅的表面用电化学方法腐蚀出一薄层多孔硅，接着在多孔硅上面生长一层高质的外延层，然后用机械剥离或其他方法将外延层和基体分开，利用剥离下来的外延层制备太阳电池，基体又可以重复利用。
利用这种方法已经制备出１２μｍ厚、效率为１２．５％的太阳电池。
如果能够克服剥离时外延层破碎以及提高剥离速率的难题，层剥离技术应该能得到大规模应用。
腐蚀和表面织构１．表面腐蚀切割后的硅片表面有一层１０～２０μｍ厚的切割损坏层，在电池制备前必须去除，常用的腐蚀剂为加热到８０～９０℃的２０％～３０％的ＮａＯＨ或ＫＯＨ溶液。
由于碱液腐蚀的各向异性，多晶硅的腐蚀不能采用碱性溶液腐蚀，因为如果腐蚀速度过快或腐蚀时间过长，在晶界处会形成台阶，为以后电极的制备带来麻烦。
利用各向同性的硝酸、乙酸和氢氟酸混合溶液可以避免这一问题，但是酸液腐蚀速度过快而难于控制，且这种酸液的废液也难以处理。
２．表面织构为了有效地降低硅表面的发射，除了沉积减反层外，表面织构也是一个可行的工艺。
理想的表面织构（绒面）为倒金字塔形。
常用的织构制备方法为机械刻槽法和化学腐蚀法。
机械刻槽利用Ｖ形刀在硅表面摩擦以形成规则的Ｖ形槽，从而形成规则的、反射率低的表面织构。
研究表明尖角为３５°的Ｖ形槽反射率最低。
现在的问题是，如果用单刀抓槽，虽然能得到优质的表面织构，但是成形速度太低，采用多刀同时抓槽又容易破坏硅片。
化学腐蚀法可以在硅表面形成不规则的倒金字塔形织构，但是由于多晶硅的各向异性，使得化学腐蚀方法难以应用到多晶硅电池表面织构的制备。
反应离子刻蚀技术也可以作为形成织构的方法，它首先在硅表面沉积一层镍铬层，然后用光刻技术在镍铬层上印出织构模型，接着就用反应离子刻蚀方法制备出表面织构。
用这种方法可以在硅表面制备出圆柱状和锥状织构，其表面发射率最低可以降低到０．４％，而且不论是单晶硅还是多晶硅都适用，只是这种方法费用较高。
扩散制结工业中典型的结制备分为两步，第一步用氮气通过液态的ＰＯＣ１３，将所需的杂质用载流气体输运至高温半导体表面，杂质扩散深度约几百个纳米。
第二步是高温处理，使预沉积在表面的杂质原子继续向基体深处扩散。
这样就形成了一个ｎ＋/ｎ层，这样的结构有利于后续电极的制备，因为在平面印刷银技术中，ｎ＋层不仅可以和金属电极形成欧姆接触，而且可以防止电极制备过程中金属原子扩散进入基体内部。
但是有研究指出，好的发射区应当位于基体表面附近，并且只需要一定的掺杂浓度即可。
综合后续工艺，理想的ｐｎ结应当具有如下结构：在基体表面附近，除了在指形电极下有一个重掺杂的ｎ＋区外，其余的部位都是一般浓度的掺杂。
这是因为指形电极下的重掺杂区不仅可以降低接触电阻，以获得好的填充系数，也可以降低电极带来的表面复合损失，而指形电极之间的低电极带来的表面复合损失。
而指形电极之间的低掺杂发射区具有较低的界面态，可以得到较好的光谱响应和较高的开路电压。
这种发射区结构可以通过改进的两步扩散方法形成，也可以用一步扩散法制得，但是需要增加一个腐蚀过程。
用快热方法制结可以大大简化上述过程，但是这种工艺还处于初期研究阶段，对于实际应用还需要大量的研究。
ＭＩＳ太阳电池采用一种完全不同的制结方法，它通过在ｐ型基体中引入一个ｎ＋的反型层。
这个反型层是通过基体表面的硅氮减反层中的正电荷诱导产生的，应用这个工工艺可以完全避免扩散制结过程。
沉积减反层和钝化层抛光的硅表面的反射率为３５％，为了减少表面反射，提高电池的转换效率，需要沉积一层减反层，减反层有很多种，可以是ＳｉＯ２、ＺｎＳ、ＳｉＮｘ或是它们的组合。
实验室中常采用热氧化法制备ＳｉＯ２减反层，这种方法可以生成一层高质量的ＳｉＯ２减反层。
ＳｉＯ２减反层不仅能够减少反射率，而县城还能显著降低Ｓｉ－ＳｉＯ２界面的少子复合速率。
但是由于这种方法耗费太高，无法在工业中实现大规模应用。
用氨和硅烷反应，可以在硅表面形成一层无定形的氮化硅（ＳｉＯｘ）层。
氮化硅减反层具有良好的绝缘性、致密性和稳定性，并且它还能阻止杂质原子，特别是Ｎａ原子的渗透进入电池基体。
理论研究表明，理想的减反层应该是氮化硅减反层和ＳｉＯ２减反层的组合，这种组合既具有优良的光学性能，又具有稳定钝化性能和良好的阻止杂质原子渗透性能。
为了提高电池效率，背表面也需要降低反射率和钝化。
工业中背表面钝化是利用丝网印刷技术将Ａ１覆盖在硅片上以合金化。
铝和硅在５７７℃时可以生成共晶组织。
根据Ａ１－Ｓｉ二元相图，在加热过程中，会有一种液态的Ａ１－Ｓｉ相产生，杂质会在融化的区域中偏析，于是液相就相当于一个杂质的湮灭区。
当温度降低时，硅会发生再结晶，根据溶解度曲线可知，硅中会溶有一定的铝，形成一个Ｐ＋的背表面场层。
为了能够形成铝硅液态相，铝层需要有足够的厚度（２０μｍ） 但是这种背表面场的制备过程会使晶片产生很大的弯曲变形，硅片越薄弯曲越明显。
另外，一种行之有效的方法是局部背表面场技术。
在这种工艺中，不是整个背表面都被电极覆盖，而是只有１％～４％的背表面被局部的背电极覆盖，然后在背表面沉积一层氧化物作为减反层和钝化层，ＰＥＲＬ电池就采用了这种工艺。
制备电极电极的制备是太阳电池制备过程中一个至关重要的步骤，它不仅决定了发射区的结构，而且也决定了电池的串联电阻和电池表面被金属覆盖的面积。
传统的电极是采用平面丝网刷镀银粉然后烧结而成，但是这种方法制备的电极具有高的串联电阻和大的表面覆盖率，对电池的效率影响很大。
１．激光刻槽埋栅理想的电极应具有低的串联电阻和小的表面覆盖率，为了得到这样的电极，有研究者提出了激光刻槽埋栅电极工艺。
这种方法是在表面受到保护的轻掺杂基体上，用激光或者机械的方法刻划出电极槽，经过清洗之后对电极槽，经过清洗之后对电极槽区域进行重掺杂，最后将不同合金按照不同顺序浇注到电极槽内形成电极。
用这种方法制备的电极宽度很窄（２０～２５μｍ），具有很低的表面覆盖率，而且还具有高的纵深比，能够更好地吸收载流子。
目前这种工艺已经在高效大面积的太阳电池上得到了大规模的应用。
这种方法的主要缺点是合金中包含的Ｎｉ和Ｃｕ对环境具有破坏作用，需要额外费用来清除工业废物。
２．丝网印刷由于传统的丝网印刷制备电极技术已经成熟并经大面积应用，完全取代它需要花费大量金钱，而且它没有化学废物需要处理，因此如何改进现有的平面印刷技术，使得它的电极宽度（１５０～２００μｍ）减小到可以和埋覆电极相媲美是一个更切实际的课题。