硅(100)晶面各向异性腐蚀的凸角补偿方法
化学制绒液失效机理分析
化学制绒液失效机理分析张忠文云南半导体器件厂昆明 650033摘要：本文分析了NaOH制绒溶液在晶体硅表面个向异性腐蚀机理。
对提高初配溶液的各向异性因子和控制溶液失效问题，给出了实用的解决办法。
关键词：绒面，各向异性因子，溶液失效0 引言在晶体硅太阳电池制造中，利用NaOH、KOH 等碱性水溶液腐蚀晶体硅表面，形成减反射绒面结构。
这种方法因它的经济廉价而得到广泛采用。
在工业生产应用中，出于经济性的考虑，溶液浓度控制采用补充碱的方法。
在单晶硅（100）表面上腐蚀形成的绒面形貌见图1.。
关于这种腐蚀形貌形成的机理，通常用微电池电化学腐蚀原理和晶体在各个不同晶向上具有不同的原子面密度来分析解释。
但是这些理论不能解释和溶液浓度、温度、溶液添加剂等因素相关的各向异性因子和溶液失效问题。
关于绒面形成的机理现在一直还在讨论中，并有相关的文献不断发表，认为碱腐蚀硅片过程中氢气泡在表面产生并演化的过程对绒面的形成起着重要的作用[1]。
本文提出一种基于溶液物理化学性质的绒面腐蚀机理分析，对提高初配溶液的各向异性因子和控制溶液失效问题，给出了实用的解决办法。
图1. 单晶硅（100）表面上NaOH水溶液腐蚀形成的绒面形貌SEM照片1 制溶液制溶液通常用低浓度(1.5～2wt%)的氢氧化钠溶液混合（3～10 vol%）的异丙醇（或乙醇）配制成,在70℃～80℃温度范围内对（100）晶向的硅片表面进行各向异性腐蚀，便可以得到由（111）面包围形成的角锥体分布在表面上构成的“绒面”。
硅在碱溶液中的腐蚀现象，可以用电化学腐蚀的微电池理论进行解释。
实现电化学腐蚀应具备的三个条件如下[2]：①被腐蚀的半导体各区域之间要有电位差，以便形成阳极和阴极。
电极电位低的是阳极，电极电位高的是阴极，阳极被腐蚀溶解。
②具有不同电极电位的半导体各区域要互相接触。
③这些不同区域的半导体要处于互相连通的电解质溶液中。
硅晶体在碱溶液中的腐蚀能满足上述三个条件，从而在表面形成许多微电池。
(100)面硅片各向异性腐蚀中的凸角补偿方式
ｃｎ（０ ）ａｄｇｏ ｅ ｙｋ ｏ ｌ ｇ ． ｈｎｔ ｓ ｍ ｄ ｌ ａ ｓ ｂ ｉ ｏｔ ａ ｓ ｕｔ ｅｉ ｔ ｅｉ ｏ １０ ｎ ｅｍ ｔ ｎｗｅ ｅ Ｔ ｅ ｅｅ ｏｕ ｓＣ ｂ ｕｅ ｔ ｏｔ ｎ ｐｉ ｌ ｔ ｃ ｒ ｅｄｓ ｒ ｄ ｈ ｅ ｎｅ ｄ ｏ ａ ｍ ｒ ｕ ｎｈ ｎ ｇ
ｃ ｍｅ ｏ ｅ ｎ ａｉｎ ｗｅｅ ｓｕ ｉ ａ ｅ ｎ ａ ｓ ｒ ｆａ ｃ ｌｍｍｅｅ ｆｂ ａ ｍａ ｓ ｓｒ ｃｕ ｅ．Ｔ ｅ ｏ ｔｍａ ｅ － ｏ ｒｃ ｍｐ ｓ ｔ ｒ ｔｄｅ ｂ ｓ ｄ ｏ ｏｔｏ ｃ ｅｅ ｏ ｄ ｔｒ ｏ ｅ ｍ－ ｓ ｔｕ ｔ ｒ ｈ ｐ ｉ ｌｇ ｏ
ａ ｅ ｖｎｅ ｈ ｇｔ ｅ Ｔ ｃｕｒ ｉ ａｔ ａｓｓｕ ｔ ｅｗｔ ｂ ｔｒ ｙ ｍ ｔ ， ａ ｏｓ ｅ ｏｓｏ ｎｅ ｆｒ ｔ ａ舀 ｅ ｔ ｉ ｍ ． ｏａｑ ｉ ｔ ｓ ｔ ｃ ｒ ｉ ｔ ｍ ｅ ｙ ｖｒ ｕ ｔ ｄ ｆ ｏｖｘ ｃｎ ｉ ｅｎ ｃｍ ｒ ｕ ｈｅ ｅｓ ｒ ｉ ｍ ｈ ｃ
ｍａ ｈｎ ｎ ｒｃ ｓ ｆｍｉｒ ｃ ｅｅ ｃ ｉｉ ｇｐ ｏ ｅ ｓｏ ｃｏａ ｃ ｌｍｍｅｅ ，ｍａ ｋ ｐ ｔｅｎ ｏ ｏ ｅ ｓ ｔｏ ｈ ｕｄ ｂ ｅ ｉｎ ｄ ａ ｃ ｒ ｉｇ ｔ ｅ ｔｒ ｓ ａｔｒｓ ｆｒｃ ｍｐ ｎ ａｉｎ ｓ ｏ ｌ ｅ ｄ ｓｇ ｅ ｃ ｏｄ ｎ ｏ ｔ ｈ ｒｑ ｉ ｍｅ ｔｏ ｔｈ ｎ ｐ ｅ ｄ ｄ ｐ ｆｒ ｏ ｒｓｏ ｈｅ ｒｅ ｔｓ ａ ｆｃ ｎ ｅ ｏ ｒＣ Ｄ ｅ ｂａｎ ｅ ｕｒ ｎ ｆｅｃ ｇｓ ｅ ｄ ａ ｅ ｔ ｂ ｏ ｅ ｃ ｒｏ ｉｎ，ｔ ｎ ｐ ｆ ｃ ｈ ｐ ｏ ｏ ｖ ｘ ｃ ｍｅ ａ＿ｂ ｏ ｔｉ ｅ ｅ ｉ ｎ ｈ ｅ ｅ ｅ ｄ
关键词 ：梁一 质量块结构微加速度计 ；湿法腐蚀 ；凸角补偿 ；各向异性腐蚀
硅各向异性腐蚀技术研究
硅各向异性腐蚀技术研究李倩;崔鑫;李湘君【摘要】The principle of compensation based on two compensation structures was discussed in this paper,and the graphics of compensation was designed and experimented with KOH etchant. The compensation effect of the convex corner according well with expected.%针对两种补偿结构探讨了硅的凸角腐蚀补偿原理,设计了补偿版图,并在KOH腐蚀液中进行实验验证,获得了好的直角凸面补偿效果.【期刊名称】《微处理机》【年(卷),期】2012(033)006【总页数】3页(P12-13,19)【关键词】氢氧化钾;湿法腐蚀;凸角补偿【作者】李倩;崔鑫;李湘君【作者单位】中国电子科技集团公司第四十七研究所,沈阳110032;中国电子科技集团公司第四十七研究所,沈阳110032;中国电子科技集团公司第四十七研究所,沈阳110032【正文语种】中文【中图分类】TN3051 前言湿法腐蚀是微传感器制造工艺中常用的MEMS后处理工艺，利用Si在KOH、TMAH等碱性溶液中的各向异性腐蚀特性实现传感器的腔、槽、台面等结构。
但是在进行Si(100)台面腐蚀时，由于硅的各向异性腐蚀特性，凸角处严重出现切削现象因而导致器件性能改变。
2 各向异性湿法腐蚀技术硅的各向异性腐蚀，是指腐蚀液对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率［1］，基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种微结构。
单晶硅片在其不同方向上对某些腐蚀液具有各向异性，常用的有R(100)＞R(110)＞ R(111)［2］。
在制造硅杯或台面等结构时，常选用(100)面。
2.1 单晶硅湿法异向腐蚀原理单晶硅在有机腐蚀剂和无机腐蚀剂中具有非常类似的腐蚀现象，由此可推出OH－离子是此反应的主要参与者。
Si基片各向异性腐蚀特性研究
收稿日期:2003203206.作者简介:姜胜林(19672),男,教授;武汉,华中科技大学电子科学与技术系(430074).基金项目:国家自然科学基金重大研究计划项目(90201028);国家高技术研究发展计划资助项目(2002AA325080).Si 基片各向异性腐蚀特性研究姜胜林 曾亦可 刘少波 刘梅冬(华中科技大学电子科学与技术系)摘要:为了制备高性能铁电薄膜红外探测器,对Si 微桥的湿化学腐蚀工艺进行了研究.利用Si 基片各向异性腐蚀特性,在四甲基氢氧化铵(简称TMAH )水溶液中加入氢氧化钾(KOH )作为各向异性腐蚀液(简称KTMAH ),研究了TMAH 与KOH 摩尔比、腐蚀浓度、腐蚀温度对Si 基片腐蚀特性的影响.结果表明:Si (100)面的腐蚀速度随着腐蚀液浓度和温度的升高而增大,随着TMAH 与KOH 摩尔比的降低,KTMAH 腐蚀液对掩膜层的腐蚀程度加剧.选用5g/L 的过硫酸盐(PDS )与TMAH 质量分数为25%、TMAH 与KOH 摩尔比为2的KTMAH 混合液作为腐蚀液,并在80℃×2.5h 的腐蚀条件下能得到平整的腐蚀面,可以制备质量较好的微桥结构.关 键 词:Si 基片各向异性;腐蚀特性;KTMAH 腐蚀液中图分类号:TN304 文献标识码:A 文章编号:167124512(2003)1020022204 红外探测器焦平面阵列(U FPA )是红外热成像系统的关键部分,其性能与薄膜材料及其制备工艺密切相关.在材料系列确定的条件下,焦平面阵列制备工艺对红外探测器焦平面阵列性能的影响至关重要.在铁电薄膜单元热释电红外探测器的制备工艺中,利用腐蚀加工技术制备微桥的过程尤为关键,它直接影响到器件的灵敏度.常用的腐蚀法有湿化学腐蚀、电化学腐蚀和激光腐蚀等,其中湿化学腐蚀法加工范围广泛,最为简便实用、经济.U FPA 系统的灵敏元横向尺寸一般为mm 级或亚mm 级,利用Si 基片各向异性腐蚀特性,通过改进传统腐蚀工艺,湿化学腐蚀法可以应用于U FPA 系统的微细图形刻蚀.1 腐蚀实验单晶Si 的各向异性是采用湿化学腐蚀法对其实现精确微细加工的前提条件.此外,单晶Si 的取向、n 型或p 型掺杂浓度、腐蚀剂的组分比例、浓度、温度及搅拌速度都将影响微细图形的形成.以(100)单晶Si 为研究对象,其各向异性腐蚀速度如图1所示[1].由图可清楚看出:以倾斜54.7°的(111)面的腐蚀速度最慢,而以(133)面腐蚀速度最快,因此与(100)面呈35.3°夹角的图1 (100)Si 单晶上的各向异性腐蚀(111)面为腐蚀边界面.利用这种腐蚀特性,可制出轮廓清晰,侧壁十分均匀的V 型槽和悬臂梁.在(100)面上(110)和(110)方向开一个正方型窗口,则可得到四棱锥体腐蚀坑,若适当控制腐蚀时间,则实际得到四棱台腐蚀坑.实验选取厚度为350μm ,电阻率为2.5×108第31卷第10期 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版) Vol.31 No.102003年 10月 J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Nature Science Edition ) Oct. 2003Ω·cm 的n 型(100)取向单晶Si 作为腐蚀样品,以550nm 厚热氧化SiO 2为腐蚀掩膜层,并以总厚度为1.75μm 的L PCVD SiO 2,Si 3N 4和浓硼扩散(>2×1019cm -3)的强p 型热氧化SiO 2作为腐蚀钝化层来终止腐蚀,避免腐蚀液穿透Si 基片.将光刻出腐蚀窗口阵列的3.8cm Si 基片划为若干单窗口小片,将小片的正面用树脂密封,固化后备用.确定KTMAH 为各向异性腐蚀液.采取TMAH 质量分数为25%水溶液直接溶解KOH晶体的方法,先配制出TMAH 与KOH 摩尔比为5,4,3,2和1的5种腐蚀液,然后在腐蚀液中均按5g/L 加入PDS 添加剂.将腐蚀液分别倒入不同的试管,并将正面保护的单窗口小硅片置入腐蚀液中,密封试管口以避免TMAH 成分溢失,试管以水浴加热并以恒温温度计调节电炉控温.腐蚀坑的深度采用光学显微镜聚焦法测量,掩膜层的腐蚀速度通过椭偏仪测量其厚度的改变来确定.2 结果与讨论图2是经过80℃,2.5h 腐蚀后硅片的腐蚀坑底的SEM 照片.由图可知,TMAH 与KOH 摩尔比等于4时的腐蚀坑底被一种圆锥状小丘覆盖,坑面很不平整.单个小丘的锥底直径约为60μm ,斜面皱褶较多,正处于四棱锥体形成的初级阶段.随着KOH 含量的增加,腐蚀面的平整度发生了明显变化.当TMAH 与KOH 摩尔比为3时坑底小丘变为棱角清晰的四棱锥体,锥底边长约为20μm ,斜面平滑.经分析四个斜面分别对应为腐蚀速度最低的(111)、(111)、(111)和(111)晶面.当TMAH 与KOH 摩尔比为1时,腐蚀坑底(110)方向的四棱锥体消失,在(110)方向出现许多底边长约为70μm 、深约为10μm 的四棱台小坑,使腐蚀坑底变得凸凹不平.这显然是碱性较强的腐蚀液对晶体的(100)和(111)面进行了更深度腐蚀的结果.图2 经过80℃×2.5h 腐蚀后硅片的腐蚀坑底的SEM 照片 结果表明,TMAH 质量分数为25%、TMAH与KOH 摩尔比为2时的KTMAH 腐蚀液,在80℃×2.5h 的腐蚀条件下能得到平整的腐蚀面.当改变腐蚀温度时仅发现腐蚀深度的变化,而32第10期 姜胜林等:Si 基片各向异性腐蚀特性研究 未发现各腐蚀面的变化;当保持TMAH与KOH 摩尔比为2、腐蚀温度和时间等条件不变,而稀释腐蚀液的TMAH质量分数为15%时,腐蚀深度变浅,腐蚀面变粗糙,经测试发现TMAH与KOH 摩尔比为4的溶液与稀释后的TMAH与KOH 摩尔比为2的溶液具有相差不大的p H值.分析表明,腐蚀面的粗糙度和深度与腐蚀液的碱性强度直接相关,而腐蚀面的形貌与温度基本无关.表1是TMAH与KOH摩尔比为2时不同TMAH质量分数(5%,10%,…,25%)和腐蚀温度下的Si(100)面的腐蚀速度(v TMAH).由表可见,Si(100)面的腐蚀速度随着腐蚀液浓度和温度的升高而增大.在80℃下TMAH与KOH摩尔比为2、TMAH质量分数25%时的KTMAH腐蚀液腐蚀速度约为2.1μm·min-1,是Kazuo Sato等报道的同温同质量分数下单TMAH成份腐蚀液的腐蚀速度的2.3倍[2].后者和TMAH与KOH 摩尔比为2、TMAH质量分数10%时的KTMAH 腐蚀液的腐蚀速度相当.表1 一定条件下Si(100)面的腐蚀速度(μm/min)T/℃w TMAH5%10%15%20%25%600.540.780.99 1.35 1.54 700.680.82 1.24 1.59 1.83 800.790.91 1.43 1.78 2.10 900.95 1.27 1.66 1.92 2.31 有文献报道表明[3],单TMAH腐蚀液的腐蚀速度随着质量分数的升高而降低,其解释为Si 与腐蚀液发生如下反应:Si+2OH-+2H2O→SiO2(OH)2-2+2H2↑生成低溶解度的水合硅酸盐SiO2(OH)2-2.当TMAH质量分数较大即水含量较少时,水合硅酸盐的溶解度下降,更多地沉积于腐蚀坑底及小丘表面,从而影响反应进程并降低反应速度.本实验结果表明KTMAH腐蚀液的腐蚀速度随着质量分数的升高而增加,这与腐蚀液的质量分数升高、碱性增强时腐蚀性也增强的规律相符.分析认为由于KOH成份的引入,腐蚀液与Si的反应更为剧烈,反应中不断生成H2.上升的H2可将沉积的水合硅酸盐托起,避免其覆盖腐蚀坑底及小丘表面,使反应得以正常进行,而腐蚀液也可对坑底小丘进行更为彻底的腐蚀[4].图3是经过80℃×2.5h腐蚀后硅片的掩膜层的SEM照片.图中显示,TMAH质量分数为25%、TMAH与KOH摩尔比等于3时的KTMAH腐蚀液对SiO2掩膜层基本无影响,SiO2层仍能保持热氧化形成时的凸凹不平但较致密的原貌.此时的SiO2掩膜层表面呈现彩色衍射花纹,表明其厚度也未发生大的变化.当腐蚀液的TMAH与KOH摩尔比为2时,掩膜层表面变得较光滑,衍射花纹减少,出现(110)方向的、底面直径约为4μm的圆锥形钻蚀孔,其深度应已穿透图3 一定条件下的SiO2掩膜层的SEM照片550nm的SiO2层.这表明腐蚀液开始腐蚀SiO2层的凸起部分使其平整,但SiO2层的原凹陷部分依然存在,因为纯Si层的腐蚀图形应是四棱锥(或四棱台).当腐蚀液的TMAH与KOH摩尔比为1时,掩膜层表面无衍射花纹,出现底边长约为10μm、深度约为3μm的四棱台,这说明SiO2层已被完全腐蚀,腐蚀液开始腐蚀单晶Si.根据以上分析,图4示出了随着KOH质量分数的增加, KTMAH腐蚀液对掩膜层的腐蚀程度.通过椭偏仪测量掩膜层厚度的改变可计算出不同腐蚀液在不同温度下对掩膜层的腐蚀速度,图4 随着w K OH的增加,KTMAH腐蚀液对掩膜层的腐蚀程度如表2所示.经计算在2.5h内腐蚀完550nm的SiO2掩膜层所需平均腐蚀速度为36.7×10-10 m·min-1.由表可发现,TMAH质量分数为25%、TMAH与KOH摩尔比为2时KTMAH腐蚀液42 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版) 第31卷表2 不同腐蚀液在不同温度下对掩膜层的腐蚀速度/nm ·min-1T /℃TMAH 与KO H 的摩尔比32160-10.723.370-15.027.480 6.117.837.9909.024.642.5的腐蚀速度小于该值,但存在掩膜层的局部钻蚀现象.考虑到该腐蚀液对Si 牺牲层的良好腐蚀性能及背面掩膜层的少量钻蚀对U FPA 器件性能影响很小,因此本文选用5g/L 的PDS 与TMAH质量分数为25%、TMAH 与KOH 摩尔比为2的KTMAH 的混合液作为腐蚀液,并在80℃×2.5h 的腐蚀条件下制备正式U FPA 器件的微桥.图5是腐蚀得到的U FPA 器件的单个微桥.由图可见,微桥呈四棱台型,基片的上下表面及微桥侧壁均较平整.腐蚀2h 后的微桥深度约为250μm ,厚度约为100μm ;腐蚀2.5h 后的微桥深度为305μm ,厚度约为45μm.微桥(111)面的倾斜角约为35°,与图1分析的(100)Si 单晶的各向异性腐蚀特征符合较好.这表明采用改进的腐蚀装置和腐蚀液后,有效地提高了腐蚀效率和微桥质量.图5 腐蚀得到的U FPA 器件的单个微桥形貌参考文献[1]Tabata O ,Asahi R ,Funabashi H ,et al.Anisotro picetching of silicon in TMAH solutions.Sensors and Ac 2tuators A ,1992,34:51～57[2]K azuo Sato ,Mitsuhiro Shikida ,Takashi Y amashiro ,etal.Anisotropic etching rates of single 2crystal silicon for TMAH water solution as a function of crystallographicorientation.Sensors and Actuators A ,1999,73:131～137[3]Baude P F ,Y e C ,Tamagawa T ,et al.Fabrication ofsol 2gel derived ferroelectric Pb 0.865La 0.09Zr 0.65Ti 0.35O 3optical waveguides.J.Appl.Phys.,1993,73(11):7960～7962[4]刘少波.BST 铁电薄膜的制备及其非致冷红外焦平面阵列的研究:[博士学位论文].武汉:华中科技大学电子科学与技术系,2002.The anisotropy of etching solution properties of Si substratesJiang S hengli n Zeng Yike L i u S haobo L i u Mei dongAbstract :The Si micro 2bridge was fabricated by wet chemical etching technique in order to get good in 2frared thermal imaging system with ferroelectric thin films.The effect on the anisotropy of etching solution was studied by changing the mol ration of TMAH/KOH in the etching solution ,temperature and time.The results indicated that the etching solution velocity of Si (100)increased with the increasing of the etch 2ing solution concentration and temperature ,and the etching solution degree was speeded up with the de 2creasing of the mol ratio of TMAH/KOH for different system.G ood micro 2bridge can be obtained in the system when PDS is 5g/L ,the quality percentage of TMAH is 25%,the mol ratio of TMAH/KOH is 2,and the technique is 80℃×2.5h.K ey w ords :anisotropy of Si substrates ;etching solution properties ;KTMAH etching solutionJiang Shenglin Prof.;Dept.of Electronic Science &Tech.,Huazhong Univ.of Sci.&Tech.,Wuhan430074,China.52第10期 姜胜林等:Si 基片各向异性腐蚀特性研究 。
关于单晶硅各向异性腐蚀机理的讨论
论文编号PV-46（共6页）关于单晶硅各向异性腐蚀机理的讨论许彦旗汪义川季静佳施正荣无锡尚德太阳能电力有限公司214028摘要：在单晶硅太阳电池的制备工艺中，经常利用碱溶液对各个晶面腐蚀速率不同，在硅片表面形成类“金字塔”状绒面，降低反射率。
本文研究了（氢氧化钠+乙醇）混合体系对（100）晶向的单晶硅片的各向异性腐蚀过程，描述了随着氢氧化钠的含量、乙醇的含量和反应时间的变化，金字塔绒面微观形貌和硅片表面反射率的变化情况，从金字塔的成核、生长过程的角度，分析了各工艺参数影响绒面质量的机理，总结出了适宜大规模生产的工艺参数。
关键词：单晶硅绒面各向异性Abstract: Anisotropic etching process of (100) oriented crystalline silicon in alkaline solution containing sodium hydroxide and ethanol was investigated, which is the common formula of texturing solution in Chinese mass production of mono-silicon solar cells. This paper shows the different surface morphology and reflectance as the concentrations of NaOH or ethanol, as well as etching time changed. The roles of NaOH and ethanol in the texturing solution are expressed from the view point of nucleation and growth of pyramid. The processing parameters are optimized to meet the requirement for mass production.Key words: crystalline silicon, texturization, anisotropic etching1引言为了提高单晶硅太阳电池的光电转换效率，工业生产中通常采用碱与醇的混合溶液对（100）晶向的单晶硅片进行各向异性腐蚀，在表面形成类“金字塔”状的绒面（pyramidal texture），有效的增强了硅片对入射太阳光的吸收，从而提高光生电流密度。
加速度计的设计
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
第二阶段
结构设计与分析
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
四、设计约束
材料属性约束
硅的材料参数 (μm-μN-kg)
参数 硅
2.33×10-15
EX 1.9×105
PRXY 0.3
工作原理
压阻式微传感器结构
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
压敏电阻的相对变化量 R 与应力的关系为
R
R π11 π t t πs s π11 π t t R
硅
a) 初始
硅 b) 线性 硅 c) 抛物线 二氧化硅的生长阶段
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
腐蚀分为湿法腐蚀和干法腐蚀。利用KOH腐蚀剂在(100) 晶面进行各向异性腐蚀是体硅微机械加工工艺中一种简单 易行且重要的加工工艺。湿法腐蚀形成质量块的时候需要 进行凸角补偿。最常用的凸角补偿方法如下所示。 其中，h=腐蚀深度/0.54 通过上述的方法可以实现 质量块边缘的最佳腐蚀。
晶体硅太阳电池设计-制绒
单晶制绒(各向异性腐蚀)硅的各向异性腐蚀是指对硅的不同晶面具用不同的腐蚀速率.各向异性腐蚀剂一般分为两类:一类是有机腐蚀剂,包括EPW和联胺等,另一类无机腐蚀剂,包括无机碱性腐蚀剂,如KOH NaOH LiOH等,我们单晶制绒腐蚀剂用的是无机碱性腐蚀剂.在腐蚀液浓度一致的前提下, 改变腐蚀液的温度, 各晶面的腐蚀速率随温度的变化示于图5单晶制绒溶液通常用低浓度（0.5.—1.5wt%）的氢氧化钠混合（5---10vol%）的异丙醇（或乙醇）配制成，在75---80℃温度范围内对（100）晶向的硅片表面进行各向异性腐蚀，便可以得到由（111）面包围形成的角锥体分布在表面上构成的绒面。
我们将<100>晶向上腐蚀速率与<111>晶向上腐蚀速率比值定义为各向异性因子AF.当AF=1时,腐蚀硅片可以得到平坦的表面.当制绒液在<100>方向上具有相对高的腐蚀速率(0.6um/min)和AF=10的各向异性系数时在硅片表面上得到最高的角锥体密度,能够腐蚀出高质量绒面.腐蚀碱溶液的浓度,温度对AF有显著影响.一般来说,低浓度的碱溶液和较低的温度具有较高的AF值;反之,高浓度的碱溶液和较高溶液温度则对应低的AF数值.因此,前者用于制绒工艺,后者用于抛光工艺,在实验和生产实践中发现,制绒溶液配制好后,初次使用时AF不高,并且锥体的覆盖率也不高.使用若干次以后,AF值和绒面覆盖率逐渐提高并趋进最大值.再继续使用若干次后,AF值和绒面覆盖率逐渐降低,直到溶液失效不能使用,这时候就要重新配制溶液了.硅在碱溶液中的腐蚀现象，可以用电化学腐蚀的微电池理论进行解释.阳极处Si+6O HˉSiO3-2+3H2O +4e阴极处2H+ +2e H2↑总的反应式Si +2NaOH +H2O Na2SiO3+ 2H2↑NaOH的作用Si在NaOH腐蚀液中反应过程，首先由水分子分解出氢氧根离子, 氢氧根离子与表面原子未配对的电子结合形成Si—O键, 然后打断表面原子与其它硅原子连接的共价键,最后生成Si(OH )4. 我们以(100) 面的原子为例, 其反应过程可表示为:在第二步反应中, 由于硅表面存在成键的OH 基团,使硅表面原子的背键强度降低,Si(OH )2 团中的Si—Si 背键被打开, 形成了带正电荷的氢氧化硅复合物:氢氧化硅复合物进一步与两个OH- 反应产生原硅酸:从以上反应过程可以看出, 在硅表面的原子被“移去”的过程中.除去硅原子未受腐蚀的起始态和被腐蚀反应为原硅酸的最终态之外, 还有若干个中间状态, 从微观角度来说, 各中间状态反映出腐蚀的微观过程, 可用来说明腐蚀的机制. 我们认为, 处在不同晶面的硅原子的腐蚀速率之所以不同, 一方面是与被反应原子所处的初始状态有关, 另一方面也与反应过程中存在的各个中间状态有关.硅(100) 晶面原子在NaOH 腐蚀过程中出现的状态示意图(图1)首先, 我们根据反应的过程看图1 中八种微观状态之间的转换.相应于图1 中八种不同的状态, 就反应中各个状态之间可能的转换示于图2 中. 其中, 有的状态在反应条件不确定的情况下, 受各种因素的影响, 有可能有多种形式状态的转化.硅(100) 晶面原子在腐蚀过程中各微观状态之间转化关系(图2)IPA的作用IPA 1)增加硅片表面的可湿润性2)碱溶液对硅片的腐蚀速率随着IPA浓度的增加而降低3)适当浓度发IPA在溶液中起到消泡的作用我可以从碱腐蚀硅的化学原理可知,伴随腐蚀的进行,硅表面有气泡产生,气泡的尺寸与溶液的粘度,溶液的表面张力有关,气泡的大小和在硅片表面的附着时间,的表面反应的进行乃至腐蚀形成的表面形貌有直接音响.谈到气泡的大小我们就必须谈到接触角(润湿角)接触角定义为液—固—气界面相交点,液—气界面的切线与液—固界面切线的夹角.CosØ =(δg-s –δl-s)/δg-l图.液体与固体表面的接触角定温定压平衡时液体在固体表面的接触角决定于固—气相、固—液相和液—气相三个界面张力的大小关系。
各向异性刻蚀LIGA工艺牺牲层技术硅的各向同性刻蚀湿法
LIGA工艺 牺牲层技术
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。
HNO3的作用
可见，阳极反应需要空穴，这可由HNO3在局域阴极处被 还原而产生。在HNO2杂质存在时，反应按下式进行
HNO2+HNO3>>>>N2O4+H2O N2O4=2NO2 2NO2=2NO2-+2e+ 2NO2-+2H+=2HNO2 最后式中所产生的HNO2再按第一式反应，反应生成物则自身 促进反应，因此这是自催化反应。第一式反应是可逆控制反应， 故有时加入含有NO2-的硝酸铵以诱发反应。因为NO2-在反应 中是再生的，所以氧化能力取决于未离解的HNO3的数量。 整个刻蚀反应有一个孕育期，孕育期间HNO2开始自催化， 紧接着是HNO2的阴极还原反应，它不断提供空穴参加氧化反 应。氧化产物在HF中反应，形成可溶性络合物H2SiF6。所有 这些过程都发生在单一的腐蚀混合液中，整个反应式为
体硅湿法腐蚀中(110)衬底上的凸角补偿方法
由硅各向异性腐蚀特性已经得到在koh蚀液中311晶面是快腐蚀面111晶面几乎不腐蚀而100晶面具有较快的腐蚀速率且各个100晶面之间具有相互垂直的特点通过合理利用这些特征晶面与100衬底的交线构建补偿拓扑框架明确设计规则得到100衬底上直角凸角结构的通用补偿方法本文结合了100衬底的研究结论从各向异性腐蚀导致的凸角切削的相关晶面出发通过对单晶硅三维结构的探索提出了110衬底上的凸角补偿共性方法
中 图分 类 号 ： １ ．０；１ ． ０ ５ ０ １ ５ ０ ３ 文献标 志码 ： Ａ 文章编 号 ： ０ １ ０ ０ （ ０ ０ ０ － ５ － １０ — ５ ５ ２ １ ） ４０ ００ ７ ５
Ｃｏ ｅ ｓｔ ｎｍｅｈ ｄｆｒｃｎ ｅ ｏｎ ｒ ｎ （ ） ｍｐ ｎａｉ ｔｏ ｏ ｖｘｃｒ ｅｓｏ １０ ｏ ｏ ０
ｔｉｅ ｕ ｅ ． Ｔｈ ｓ ｄ ｓｇ ｔ ｏ ｓｖ ｒｆｅ ｙ ｔｅ ｃ ｍｐ ｔｒ ｓｍｕｌｔｏ ｎ ｅ ｗｏ ｄ ｆｅ ｅ ｔｍｏ ｅ ． ａ ｌｄ ｒ ｌ ｓ ｉ ｅ ｉ ｎ ｍｅ ｄ ｉ ｅ ｉ ｄ ｂ ｏ ｕ ｅ ｉ ｈ ｉ ｈ ａｉ ｎ ｕ ｄ ｒｔ ｉｆ ｒ ｎ ｄ ｓ
ｍｅ ｏ ｆ（ ０ ）ｓｂｔ ｔ．Ｂ ｆｔ ｇｔｅｉｔ ｓｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｅｓｂｔ ｔ ｏ ｅ ｌｔ ｃｓ ｈ ｔ ｄｏ １０ ｕ ｓ ａ ｒ ｅ ｙｒｉ ｉ ｅ ｅ ｔ ｎｌ ｅ ｔ ｔ ｓ ａ ｆ ｙｒ ａｅ ｆ ｅ 。 ｅ ｔｎ ｈ ｎ ｒ ｉ ｉ ｗ ｈ ｈ ｕ ｒ ｅ ｋ ｅ ｄ ａ ｓｃ ｓ（ １ ） ３ １ ｎ １０ ｎ７ ｏ ０ ＫＯ ｏｕｉｎ ｐ ｌｇｃｌ ｅ ｓ ｏｍｅ ．Ｔ ｅ ｕｈａ １ １ ，（ １ ）ａｄ（ １ ）ｉ ０Ｃ ３ ％ Ｈ ｓｌｔ ，ａｔ ｏｏ ｉ ｌ ｉ ｆｒ ｄ ｈ ｏ ｏ ａｆ ｄ ｉ
半导体器件原理与工艺3.2
半导体器件原理与工艺
(100)硅的垂直腐蚀 硅的垂直腐蚀
半导体器件原理与工艺
硅的各向异性腐蚀-凸角和凹角 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
半导体器件原理与工艺
各向异性腐蚀例
典型腐蚀坑
半导体器件原理与工艺
微机械加速度计
腐蚀过程模拟
半导体器件原理与工艺
H2加入减少 ，形成富 加入减少F， 碳等离子。 碳等离子。
半导体器件原理与工艺
Ion Milling
采用的惰性气体Ar 采用的惰性气体 纯粹的物理轰击
高定向性 选择比差
半导体器件原理与工艺
离子铣可能带来的问题
斜坡转移 不均匀刻蚀 沟槽
半导体器件原理与工艺
Reactive Ion Etching(RIE)
专门容器回收 会锈任何金属 腐蚀表面会留下一层棕色的物质，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
常用于释放悬臂梁结构 腐蚀表面较光滑
半导体器件原理与工艺
EDP腐蚀-3
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
交流放电
半导体器件原理与工艺
刻蚀设备
半导体器件原理与工艺
高压等离子刻蚀
平均自由程< 高压 平均自由程<腔体尺寸 刻蚀主要靠化学作用
改进的硅太阳电池工业化绒面各向异性腐蚀工艺
改进的硅太阳电池工业化绒面各向异性腐蚀工艺E. Vazsonyi!, K. De Clercq", R. Einhaus", E. Van Kerschaver",*,K. Said", J. Poortmans", J. Szlufcik", J. Nijs"! KFKI-Research Institute for Materials Science, Budapest, P.O.B. 49., H-1525 Budapest, Belgium" IMEC v.z.w., Kapeldreef 75, B-3001 Leuven, BelgiumReceived 23 December 1997; received in revised form 12 May 1998; accepted 2 September 1998摘要：用氢氧化钠溶液加异丙醇进行了单晶硅片绒面制作的实验研究。
在测量了不同晶向硅片的腐蚀速率基础上对溶液温度和溶液成分进行了优化。
发现绒面角锥体密度受到〈100〉晶向腐蚀速率和各向异性因子的影响，各向异性因子定义为〈100〉晶向与〈111〉晶向上腐蚀速率的比值。
用实验设计和表面反应方法来提取腐蚀速率与溶液中氢氧化钠和异丙醇的浓度和溶液温度等各种输入参数之间的函数关系。
发现优化的制绒工艺条件为温度80℃和能够以10的各向异性因子在〈100〉晶向上高速腐蚀的溶液配方。
在工艺的初始点，可以通过在制绒液中混合添加剂来避免绒面角锥体成核的不均匀性。
用这种溶液，可以通过变化腐蚀时间来调节绒面角锥体的尺寸，以便在硅片绒面上获得低的反射率。
基于我们的结果，这种绒面工艺可以稳定地重复使用于大规模的硅片加工。
关键词：绒面；单晶硅；DOE1.引言用各向异性制绒溶液在单晶硅片(100)晶向表面上形成角锥是减少太阳电池前表面反射率的一种重要和有效的方法。
硅(100)晶面的凸角腐蚀及其补偿
摘 要 ：在 进 行 Ｓ １ ０ 台 面腐蚀 时 ， 由于硅 的各 向 异性 腐蚀 特 性 ， 凸角 处呈 现 严重 切 削现 象。 ｉ（０ ） 凸角侧 向腐蚀 程度 与腐蚀 深度 、腐 蚀温度 、腐蚀 剂配 比等诸 多因素有 关 。针 对 方形补 偿 结构探讨 了 凸角腐蚀 的补偿 原理 ，设计 了补 偿版 图，并在 Ｋ ＯＨ 腐 蚀 液 中进 行 实验 验证 ，获得 了与 理论 分
ｔ ｎ ｎ ｙ ｅ ．Ｔ ｅ ｐ ｎ ｉｌ ｏ ｏ ｅ ｓ ｔ ｎ ａｅ ｎ ｑ ａｅ ｏ ｅ ｓ ｔ ｎ ｔｕ ｔｒ ｗａ ｉ ｉ ａ ｄ ｔｐ ｓ ｈ ｒ ｃｐｅ ｆ ｃ ｍｐ ｎ ａｉ ｂ ； ｄ ｏ ｓ ｕ ｒ ｃ ｍｐ ｎ ａｉ ｓ ｃｕ ｅ ｏ ｉ ｏ ｏ ｒ ｓ ｄｓ — ｃ ｓｅ ｕ ｓｄ，ａ ｄ ｔｅ ｇａ ｈｃ ｆ ｃ ｍｐ ｎ ａｉｎ ｗａ ｅ ｉｎ ｄ ａ ｄ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｄ ｗｉ ｎ ｈ ｒｐ ｉｓ ｏ ｏ ｅ ｓｔ ｓ ｄ ｓｇ ｅ ｎ ｘ ｅ ｏ ｉ ｎｅ ｔ ＫＯＨ ｔｈ ｎ ．Ｔ ｅ ｈ ｅｃ ａ ｔ ｈ
ｃ ｍｐ ｎ ａｉ ｎ ｅｆ ｃ ｆ ｔ ｅ ｃ ｎ ｅ ｏ ｅ ｃ ｏ ｄ ｄ ｗｅｌ ｗｉ ｈ ｈ ｏ ｙ ｏ ｅ ｓ ｔ ｆｅ ｔ ｏ ｈ ｏ ｖ ｘ ｃ ｍ ｒ ａ ｃ ｒ ｅ ｌ ｏ ｔ ｔｅ ｔｅ ｒ． ｈ Ｋｅ ｒ ｓ ａ ｉｏ ｒ ｐ ｃ ｅｃ ｉ ｇ； ｃ ｎ ｅ ｏ ｅ ｎ ｅ ｃ ｔ ｎ ｏ ｅ ｓ ｔ ｎ； ＫＯＨ ｔ ｈ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｎ ｓ ｔ ｉ ｔｈ ｎ ｏ ｏ ｖ ｘ ｃ ｍ ｒ ｕ ｄ ｒ ｕ ｔ ｇ ｃ ｍｐ ｎ ａ ｉ ｉ ｏ ｅｃ ａ ｔ
析 结果相 一致 的直 角 凸面补偿 效果 。
关键 词 ：各 向异性 腐蚀 ；凸角补偿 ；氢氧化钾 腐蚀 液 中图分类 号 ：Ｔ ３ ． ；Ｔ １ ４３ 文献标 识码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ７ —７ ６ （０ ７ ２０ ９ —４ Ｎ０ １ ４ ２ Ｇ ７． ３ ６ １４ ７ ２ ０ ）０ —０ ３０
关于单晶硅各向异性腐蚀机理的讨论概要
论文编号PV-46（共6页）关于单晶硅各向异性腐蚀机理的讨论许彦旗汪义川季静佳施正荣无锡尚德太阳能电力有限公司214028摘要：在单晶硅太阳电池的制备工艺中，经常利用碱溶液对各个晶面腐蚀速率不同，在硅片表面形成类“金字塔”状绒面，降低反射率。
本文研究了（氢氧化钠+乙醇）混合体系对（100）晶向的单晶硅片的各向异性腐蚀过程，描述了随着氢氧化钠的含量、乙醇的含量和反应时间的变化，金字塔绒面微观形貌和硅片表面反射率的变化情况，从金字塔的成核、生长过程的角度，分析了各工艺参数影响绒面质量的机理，总结出了适宜大规模生产的工艺参数。
关键词：单晶硅绒面各向异性Abstract: Anisotropic etching process of (100 oriented crystalline silicon in alkaline solution containing sodium hydroxide and ethanol was investigated, which is the common formula of texturing solution in Chinese mass production of mono-silicon solar cells. This paper shows the different surface morphology and reflectance as the concentrations of NaOH or ethanol, as well as etching time changed. The roles of NaOH and ethanol in the texturing solution are expressed from the view point of nucleation and growth of pyramid. The processing parameters are optimized to meet the requirement for mass production. Key words: crystalline silicon, texturization, anisotropic etching1引言为了提高单晶硅太阳电池的光电转换效率，工业生产中通常采用碱与醇的混合溶液对（100）晶向的单晶硅片进行各向异性腐蚀，在表面形成类“金字塔”状的绒面（pyramidal texture ），有效的增强了硅片对入射太阳光的吸收，从而提高光生电流密度。
MEMS工艺体硅微加工工艺课件
2 、重掺杂自停止腐蚀技术
➢KOH对硅的腐蚀在掺杂浓度超过阈值浓 N0(约为5×1019CM-3)时，腐蚀速率很小，轻 掺杂与重掺杂硅的腐蚀速率之比高达数百 倍，可以认为KOH溶液对重掺杂硅基本上 不腐蚀。
➢特点：蒸 气有毒，时效较差， P+选择性好
EDP腐蚀条件
➢腐蚀温度：115℃左右 ➢反应容器在甘油池内加热，加热均匀； ➢防止乙二胺挥发，冷凝回流； ➢磁装置搅拌，保证腐蚀液均匀； ➢在反应时通氮气加以保护。 ➢掩膜层：用SiO2，厚度4000埃以上。
3、N2H4 （联氨、无水肼）
➢ 为有机、无色的水溶液，具有很强的毒性及挥发 性，在50oC以上就会挥发，故操作时需在良好装 置下及密闭容器中进行。
红光LED 蓝光LED 蓝宝石衬底
➢硅腐蚀方法：干法和湿法 ➢腐蚀方向选择性：各向同性和各向异性 ➢腐蚀材料选择性： 选择性刻蚀或非选择性
刻蚀
➢选择方法：晶向和掩模
➢多种腐蚀技术的应用：体硅工艺（三维技 术），表面硅工艺（准三维技术）
湿法腐蚀
➢湿法腐蚀——“湿”式腐蚀方法，基于溶液状 态的腐蚀剂。
KOH的刻蚀机理
2.EDP system
➢ Ethylenedamine 为有机淡黄色溶液，加入 pyrocatechol后颜色会变成暗褐色，随着反应的进 行，颜色会加深，故不易观察蚀刻表面的反应过程， 蚀刻速率也会改变，这是因为蚀刻液接触到空气中 的氧氧化所引起，此一氧化过程会使得化合物 pyrazine (C4H4N2)增加而改变其蚀刻速率；
➢具有分辨率高、各向异性腐蚀能力强、腐蚀的 选择比大、能进行自动化操作等
对硅(100)(110)衬底
硅的各晶面
不同晶面的腐蚀速度
对硅的100 110面各向异性腐 对硅的100 110面各向异性腐 蚀硅岛或硅梁成型过程中， 凸角部分被腐蚀掉
体硅工艺中110面的凸角补 Байду номын сангаас硅工艺中110面的凸角补 偿
补偿原理：在各向异性腐蚀中, 凸角结构表面会发生沿快腐蚀 晶向的切削,因此只要补偿图形 的凸角处对应的切削方向满足 式 定义的距离关系,这些图形就 能够实现理想补偿.
体硅工艺中100面的凸角补 体硅工艺中100面的凸角补 偿条形补偿是在( 1 1 0 ) 方向 三角形补偿是在掩膜版顶角
直接添加( 3 1 0 ) 向围 成的 三角形掩膜的补偿方法， 如 图 所示． 形成的凸角上补偿一个( 1 0 0 ) 条形结构 ， 如图所示．
方形补偿： 方形补偿
采用方块的补偿结构如图所示，它是在( 1 1 0 ) 方 向形成的凸角上叠加一个以( 1 1 0 ) 为边缘的方块 补偿．
硅的基本常识
晶体硅为钢灰色，无定形硅为黑色，密度 2.4g/cm3，熔点1420℃，沸点2355℃，晶体硅属于原 子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。硅的结构与金刚 石类似，是正四面体结构。硅的化学性质比较活泼，在 高温下能与氧气等多种元素化合，不溶于水、硝酸和盐 酸，溶于氢氟酸和碱液，用于造制合金如硅铁、硅钢等， 单晶硅是一种重要的半导体材料，用于制造大功率晶体 管、整流器、太阳能电池等。硅在自然界分布极广，地 壳中约含27.6%，主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。 地壳中，硅的含量在所有元素中居第二。 结晶型的硅是 暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。化学性质非常稳 定。在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反 应。
③光导纤维通信，最新的现代通信手段。用纯二氧化硅 可以拉制出高透明度的玻璃纤维。激光可在玻璃纤维的 通路里，发生无数次全反射而向前传输，代替了笨重的 电缆。光纤通信容量高，一根头发丝那么细的玻璃纤维， 可以同时传输256路电话；而且它还不受电、磁的干扰， 不怕窃听，具有高度的保密性。光纤通信将会使21世纪 人类的生活发生革命性巨变。 ④性能优异的硅有机化合物。例如有机硅塑料是极好 的防水涂布材料。在地下铁道四壁喷涂有机硅，可以一 劳永逸地解决渗水问题。在古文物、雕塑的外表，涂一 层薄薄的有机硅塑料，可以防止青苔滋生，抵挡风吹雨 淋和风化。天安门广场上的人民英雄纪念碑，便是经过 有机硅塑料处理表面的，因此永远洁白、清新。
硅(110)衬底各向异性腐蚀中直角结构补偿图形生成方法[发明专利]
![硅(110)衬底各向异性腐蚀中直角结构补偿图形生成方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/d4ee453476eeaeaad1f330ff.png)
专利名称：硅(110)衬底各向异性腐蚀中直角结构补偿图形生成方法
专利类型：发明专利
发明人：李伟华,张涵
申请号：CN200910029826.X
申请日：20090318
公开号：CN101510508A
公开日：
20090819
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：硅(110)衬底各向异性腐蚀中直角结构补偿图形生成方法，其特征是，对于硅(110)衬底上制作的含有直角形式凸角，且该直角由<110>晶向和<100>晶向为直边构成的目标器件结构，其直角补偿图形生成的过程由两个步骤实现：首先建立直角补偿图形的拓扑结构，然后根据直角补偿图形生成方法产生具体的直角补偿图形。
所有直角补偿图形的外轮廓均起始于表示<100>晶向的直线
b1(或b2)，并且具体图形可以由下列方法之一生成：本发明具有理论原理清晰，具体补偿生成方便、灵活的优点。
同时，因为本发明所提供的技术方法具有明确的技术路径，非常适合应用到计算机辅助设计系统中。
申请人：东南大学
地址：211109 江苏省南京市江宁开发区东南大学路2号
国籍：CN
代理机构：南京经纬专利商标代理有限公司
代理人：叶连生
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硅的各向异性刻蚀方法[发明专利]
![硅的各向异性刻蚀方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/e6ab458acaaedd3382c4d313.png)
专利名称：硅的各向异性刻蚀方法专利类型：发明专利
发明人：丁敬秀,金滕滕,张先明
申请号：CN201410052013.3申请日：20140214
公开号：CN104843633A
公开日：
20150819
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种硅的各向异性刻蚀方法，包括以下步骤：S1：提供一单晶硅衬底，在所述单晶硅衬底正面形成图形化掩模层，并在所述单晶硅衬底背面形成一保护层；S2：以所述图形化掩模层为掩模，采用高腐蚀速率的第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底进行湿法刻蚀并维持第一预设时间；S3：进一步以所述图形化掩模层为掩模，采用低腐蚀速率的第二浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底进行湿法刻蚀并维持第二预设时间，形成腔体结构。
本发明使用不同的工艺条件进行两步蚀刻，可以显著缩短制程时间、提高生产效率、减少产能需求，同时保证工艺质量、晶面无缺陷，并且由于采用了低浓度的蚀刻液，可以减少蚀刻液使用量，节省生产成本。
申请人：中芯国际集成电路制造(上海)有限公司
地址：201203 上海市浦东新区张江路18号
国籍：CN
代理机构：上海光华专利事务所
代理人：李仪萍
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硅在平衡状态下各个晶面的表面能
硅在平衡状态下各个晶面的表面能硅片界面态和固定电荷按(111)>(110)>(100)顺序降低。
因此，金属氧化物半导体(MOS)等表面器件采用(100)硅片而不采用(111)硅片。
腐蚀速率随悬挂键密度增加而增大，硅片腐蚀速率按<100>〉<110>〉<111>顺序减少，利用各向异性腐蚀通过SiO2掩膜在(100)硅片上开出V-沟槽。
100面的界面态密度最低，可用于MOSFET ；111面虽然缺陷最高，但是原子密度最高，也更容易生长，适合bipolar。
mosfet工作电流为表面多子漂移电流，所以与载流子的表面迁移率有关，100的界面态密度最低，其表面迁移率最高，使得MOSFET可以有高的工作电流，BJT为少子体扩散电流，与表面迁移率关系不大，111容易生长，所以用100晶向。
混杂晶向晶片对提高产品性能的作用现在的晶片大部分是在<100>;单晶硅平面上进行加工的，排列方向为<110>;。
实验证明，改变晶体管通道晶向<100>可以使PMOS的空洞迁移率提高~15%，其效果与应变硅器件的效果类似。
晶向重排可以通过改变PMOS晶体管排版设计（layout）或者是在标准<100>晶体表面进行通道方向重新排列完成。
将晶片表面的晶向从<100>改成<110>可以使PMOS的空洞迁移率提高2倍；不幸的是，它同时会使NMOS的电子迁移率降低2倍。
为了解决这一矛盾，我们可以将具有不同晶向的晶片进行粘接、分离、光刻、刻蚀、选择性外延等一系列工艺处理，得到同时具有<110>和<100>面单晶硅的混杂衬底。
具有不同晶向的混杂衬底最早是由IBM公司在2003年International Electron Devices Meeting上提出的，报告显示将其应用于90nm CMOS，性能可以提高40~65%。
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1） 热氧化生长二氧化硅（SiO2）；
2） 低压化学气相沉积（low pressure chemical vapor
deposition, LPCVD）淀积氮化硅（Si3N4 ）;
3） 采用凸角补偿掩模板进行光刻，并刻蚀Si3N4和
2019年第38卷第3期
传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies)
25
DOI：10.13873/J. 1000-9787(2019)03-0025-03
硅（100）晶面各向异性腐蚀的凸角补偿方法
郭玉刚'，吴佐飞2,田雷2 （1.中国航发控制系统研究所，江苏无锡214063 ; 2.中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江哈尔滨150001）
收稿日期=2018-12-17
26 的2倍"，如图2所示。
传感器与微系统
第38卷
传感器芯片应用中，凸台主要用于过载保护以及提供应力 集中区，因此未特别考虑削角比问题。
O
正方形补偿结构具有补偿图形简单、尺寸计算简便等 优点，但补偿图形需占据凸角附近较大的区域，比较适合相 对孤立的凸角补偿。而在凸台加工时，需要同时针对相邻 的4个凸角进行补偿，大大增加了芯片的尺寸。采用正方 形补偿结构进行凸角补偿的实例如图3所示，图中所示为 凸角补偿腐蚀掩模板以及实际补偿加工样件。
o引言 在硅压阻式压力传感器芯片研制过程中，根据敏感膜
是否带有背岛结构将其分为c型膜和E型膜。在常规的 应用条件下,C型膜结构即可满足大部分要求，但当有高过 载、高线性度等特殊要求时，需要在敏感膜上增加背岛形成 E型结构，起到过载保护以及提高线性度的作用。
通常压阻式压力芯片以（100）单晶硅为材料，采用表 面或体硅微机械加工工艺进行加工，而在体硅微机械工艺 中，湿法腐蚀是较早被用于硅基传感器加工的方法，根据腐 蚀液的不同，可分为各向异性腐蚀和各向同性腐蚀。经过 多年的验证与优化，目前仍然广泛采用的是基于氢氧化 钾（KOH）,四甲基氢氧化钱（TMAH）等碱性腐蚀液的各向 异性湿法腐蚀3'4：0各向异性腐蚀利用单晶硅（100） 与（111）晶面上原子排列密度不同，因而在特定腐蚀液中 的腐蚀速度不同的特点，在衬底片掩蔽层上开窗口.即可在 衬底硅片上加工出硅杯、质量块、V型槽等结构。在各向异 性腐蚀工艺中.具有凸直角结构的质量块无法通过直角掩 模直接获得，需要考虑削角腐蚀问题。本文针对削角腐蚀 问题进行了凸角补偿试验，为研制具有过载保护结构的压
摘 要：针对单晶硅（100）晶面在氢氧化钾（KOH）腐蚀液中各向异性腐蚀时的削角问题,进行了一项凸
角补偿实验。通过不同尺寸与形状组合的〈110〉条形补偿结构，对长方形凸台进行补偿，最终获取具有期 望效果的补偿结构。该方法应用于压力传感器芯片的过载保护结构设计。
关键词：各向异性腐蚀；削角腐蚀；凸角补偿；过载保护
图1硅〈100〉晶面凸角与凹角腐蚀 针对单晶硅各向异性腐蚀的凸角补偿问题已有很多研 究成果，通常在凸角位置增加三角形、条形或方形等补偿结 构使得腐蚀液优先腐蚀补偿图形。针对不同配比的 腐蚀液釆用适当尺寸的补偿图形，可以获得近乎理想的凸 直角结构。以方形补偿结构为例，在需要补偿的凸角两侧 增加叠加的两个正方形，正方形的边长a约为腐蚀深度//
（a）方形补偿掩模板
（b）腐蚀后补偿效果
图3正方形补偿结构示例 2凸角补偿方案设计
在一种具有过载保护结构的E型压阻式压力传感器
芯片研制过程中,拟采用长方形结构的凸台保护结构，芯片
结构设计如图4所示。
It
3实验
图5凸角补偿版
为验证设计方案的补偿效,按下述工艺步骤进行试验：
proposed. The rectangle boss is compensated by \ 110) strips with different dimension and shape, and finally the expected compensation structure is obtained. The compensation method is used for design of overload protection structure in pressure sensor. Keywords: anisotropic etching； cutting angle etching； convex corner compensation； overload protection
阻式压力传感器芯片做技术储备。 1凸角补偿方法
在（100）硅片KOH各向异性腐蚀中，当有凹角结构 时，腐蚀会在（100）晶面与（111）晶面的相交处停止；当有 凸角结构时，凸直角掩模下方的硅表面被钻蚀，形成由 〈410〉线段构成的，夹角约为152。的钝角，出现削角腐蚀现 象尬切，如图1所示。实际腐蚀图形与设计图形会有较大 差异，因此要进行凸角结构的补偿。
2. The 49th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Harbin 150001, China)
Abstract: A convex corner compensation experiment of anisotropic etching in ( 100 ) crystal surface of silicon is
中图分类号：TP212
文献标识码：A
文章编号：1000-9787（2019）03-0025-03
Convex corner compensation method of anisotropic etching in
(100) crystal surface of silicon
GUO Yu-gang1 , WU Zuo-fei2, TIAN Lei2 (1. AECC Aero Engine Control System Institute, Wuxi 214063,China；