MEMS工艺(4体硅微加工技术).讲义

1.KOH system
溶剂：水，也有用异丙醇(IPA) 溶液：20% - 50% KOH 温度： 60 – 80º C 速率：~1um/分钟 特点：镜面，易于控制，兼容性差
Si H 2O 2KOH K 2 SiOቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 2H
2
2.EDP system
EPW [NH2(CH2)2NH2乙二胺，C6H4(OH2)2 (邻苯二酚)，H2O] 特点：蒸 气有毒，时效较差， P+选择性好
MEMS工艺—— 硅微加工工艺（腐蚀）
梁 庭
3920330(o) Liangting@
内容
腐蚀工艺简介 湿法腐蚀 干法刻蚀 其他类似加工工艺
腐蚀工艺简介
腐蚀是指一种材料在它所处的环境中由于另一种材料的作 用而造成的缓慢的损害的现象。然而在不同的科学领域对 腐蚀这一概念则有完全不同的理解方式。 在微加工工艺中，腐蚀工艺是用来“可控性”的“去除” 材料的工艺。
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。 其优点包括相容于IC制程，对于氧化硅(SiO)及氮 化硅(SiN)等介电材料蚀刻率 低，Ti、Al、Cr、Au 及Pt等金属也无明显蚀刻反应，Ti和Al是目前最 常用的金属材料，蚀刻时不需有其它的保护层， 降低了制程的复杂性。
腐蚀工艺简介——腐蚀工艺重要性
大部分的微加工工艺基于“Top-Down”的加 工思想。 “Top-Down”加工思想：通过去掉多余材料 的方法，实现结构的加工。（雕刻——泥 人） 作为实现“去除”步骤的 腐蚀工艺是形成特定平面 及三维结构过程中，最为 关键的一步。
湿法腐蚀
湿法腐蚀——“湿”式腐蚀方法，基于溶液 状态的腐蚀剂。 湿法腐蚀工艺特点：
常用体硅腐蚀液：
氢氧化钾(KOH)系列溶液； EPW(E：乙二胺，P：邻苯二酚，W：水)系列溶 液。
乙二胺(NH2(CH2) 2NH2) 邻苯二酚(C6H4(OH) 2) 水(H2O)
1.KOH system
KOH是目前在微机电领域中最常使用的非等 向蚀刻液，为一碱金属之强碱蚀刻液，其金 属杂质会破坏CMOS的氧化层电性，所以不 兼容于IC制程； 但因其价格低廉、溶液配制简单、对硅(100) 蚀刻速率也较其它的蚀刻液为快，更重要的 是操作时稳定、无毒性、又无色，可以观察 蚀刻反应的情况，是目前最常使用的蚀刻液 之一。
硅的各向异性腐蚀技术
各向异性(Anisotropy)
各向异性腐蚀液通常对单晶硅(111)面的腐 蚀速率与(100)面的腐蚀速率之比很大（1： 400）
湿法腐蚀的化学物理机制
腐蚀——生长 晶体生长是典型的各向异性表现。 腐蚀作用：晶体生长的反过程
湿法腐蚀的化学物理机制
腐蚀过程：
反应物扩散到腐蚀液表面 反应物与腐蚀表面发生化学反应 反应物的生成物扩散到溶液中去
各向异性腐蚀简单小结：
粗糙晶面腐蚀比光滑晶面快。（111）面在腐 蚀过程中会因表面重建或吸附变得更平坦，因 而容易在腐蚀过程中显露出来。 理想晶体平滑面腐蚀速率的激活能和化学反应 的能量势差以及液体传输有关。前者的作用是 各向异性的，后者是各向同性的。 表面重构状态影响着腐蚀速率的变化 不同的腐蚀剂中，不同阳离子会影响腐蚀过程 中特殊面的稳定性，因而导致腐蚀结果不同。
各向异性腐蚀的特点：
腐蚀速率比各项同性腐蚀慢，速率仅能 达到1um/min 腐蚀速率受温度影响
在腐蚀过程中需要将温度升高到100℃左 右，从而影响到许多光刻胶的使用
各向异性腐蚀液
腐蚀液：
无机腐蚀液：KOH, NaOH, LiOH, NH4OH等； 有机腐蚀液：EPW、TMAH和联胺等。
2 NH 2 (CH 2 ) 2 NH 2 Si 3C6 H 4 (CH 2 ) 2 NH 2 (CH 2 ) 2 NH Si(C6 H 4 O2 ) 3 2 H
3 2
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。
4、TMAH
氢氧化四钾铵为有机、无色之水溶液，原本为半导体制程中 正胶的显影液，但目前亦应用于蚀刻制程中。 TMAH的毒性低为其最大优点，对于SiO及SiN等介电材料蚀 刻率低；对于Ti和Al有明显的蚀刻，在蚀刻组件前需加入适 当的硅粉末，降低对铝的蚀刻率，亦可加入酸来降低蚀刻液 的pH值，如酸与铝会发生化学反应生成硅铝酸盐，硅铝酸盐 对蚀刻液有较好的抵抗能力，可以保护铝材的电路。 TMAH的蚀刻反应过程会因操作参数不同而有极大的差异， 且长时间蚀刻蚀刻液亦不稳定。此外，适用于硅微加工的高 浓度TMAH(>15%)价格高昂，都是无法广泛应用的原因。
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）
硅的各向异性腐蚀 是利用腐蚀液对单晶硅不同晶向腐蚀速 率不同的特性，使用抗蚀材料作掩膜， 用光刻、干法腐蚀和湿法腐蚀等手段制 作掩膜图形后进行的较大深度的腐蚀。 机理：腐蚀液发射空穴给硅，形成氧化 态Si+，而羟基OH-与Si+形成可溶解的 硅氢氧化物的过程。
设备简单，操作简便，成本低 可控参数多，适于研发 受外界环境影响大
浓度、温度、搅拌、时间
有些材料难以腐蚀
湿法腐蚀——方向性
各向同性腐蚀——腐蚀速率在不同方向上 没有差别 各向异性腐蚀——对不同的晶面的腐蚀速 率有明显差别 利用各向异性腐蚀特性，可以腐蚀出各种 复杂的结构。
各向异性腐蚀和各向同性腐蚀