(100)、(110)硅片湿法各向异性腐蚀特性研究

ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ｂｅａｍｓ，ｇｒｏｏｖｅ，ｔａｂｌｅ－ｂｏａｒｄ，ｅｔｃ．Ｉｎ ｍａｎｙ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｔｃｈｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｉｓ ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅＳｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ，ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｍｏｏｔｈ，ｄｅｆｅｃｔ－ｆｒｅｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｓ ｅ鼹ｅｎｆｉａｌ ｆｏｒ ｄｅｖｉｃｅ．啊比ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｅｔｃｈｉｎｇ ｉｓ ｐｒｏｐｉｔｉｏｕｓ ｔｏ ｇｅｔ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ＭＥＭＳ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ
这些命名虽然不相同，但是实际上指的是同一领域。国际电技术委员会的
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定义强调了这些共性：“微系统是微米量级内的设计和制造技术。它集成了多种 元件，并适当以降低成本大量生产。＂
二、ＭＥＭＳ的基本特征
一般来讲有以下几个特征：［１－２，５４１ １）微型化：ＭＥＭＳ器件尺寸小，在毫米和微米范围之内，区别于一般的宏 观的大于ｌｃｍ尺度的机械。它与宏观尺寸的部件不仅不是一个尺寸界限，而是 一个在设计思想、制造原理和过程等方面与宏观世界截然不同的概念界限，因 此需要新的加工原理和加工方法。一般ＭＥＭＳ器件尺寸小、重量轻，因此具有 功耗低、惯性小、谐振频率高、响应时间短等特点。 ２）以硅基为主ｔ以硅为主材料，但不限于硅材料。硅的机械电气性能优良， 强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似，热传导接近钼和钨。而且价格低廉， 可以批量生产。 ３）规模化、低成本：ＭＥＭＳ器件最重要的特征在于利用半导体工艺实现微 电子机械系统的大批量生产，重复性好，降低了成本。硅基ＭＥＭＳ几乎可以采 用与集成电路制造相同的半导体工艺，一片硅片上可同时制造成百上千个微型 电子机械装置或完整的ＭＥＭＳ器件，生产成本低，生产周期短，性能一致性好， 对环境的损害小等。 ４）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行 器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件 集成在～起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可 制造出可靠性、稳定性很高的ＭＥＭＳ器件。 ５）多学科交叉：微电子机械系统涉及电子、机械、材料制造、信息与自动控 制、物理、化学和生物等多种学科，并集约当今科学技术发展的许多尖端成果。
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了八面体凹槽结构。 ＫＯＨ系统中１，６己二醇和乙醇的加入有利于硅酸盐颗粒和微氢气泡的脱
离，硅（１１０）表面对于１，６己二醇和乙醇的吸附则十分有限，使得腐蚀的各向异 性并没有明显增强。（１１０）硅表面得到了改善，并且在５０％ＫＯＨ浓度的情况下， 表面最为光滑，为ＭＥＭＳ结构的制备提供了很好的光学表面。 关键词：ＭＥＭＳ，光刻，湿法工艺，各向异性腐蚀，醇类，（１１０）硅片
ａｎｄ ＩＰＡ ｃａｎ ｂｒｉｎｇ ａｂｏｕｔ ｃｏｍｐｌｅｘ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｈｅｎ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｄｅｔａｃｈ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｅｔｃｈｅｄ
ｓｕｒｆａｃｅ，ＳＯ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｔｈｉｓ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｔｈｅ ｅｔｃｈｉｎｇ
本文对ＢＮ３０３．３０光刻胶展开光刻实验，不同的光刻胶厚度和烘培条件都会 导致不同的光刻胶特性参数。实验显示在特定厚度的光刻胶情况下，由于曝光 不足而形成针孔，造成光刻失败，而曝光时间过长也对光刻效果造成不良影响。 对于光刻来讲具体工艺参数需要由实验来确定。
本文对硅材料的各向异性腐蚀机理及特性进行了探讨，并以此为基础进行 ７＂（１００）、（１１０）硅片湿法各向异性腐蚀工艺研究。在ＫＯＨ与ＩＰＡ混合腐蚀液腐蚀 系统中，由于ＩＰＡ的加入，氢气泡可以快速的脱离硅表面，表面生成的硅酸盐 与ＩＰＡ分子形成可溶于水的络合物得以离开表面，使得硅表面的形貌得到改善。 ＩＰＡ分子与ＯＨ＂竞争硅（１１０）表面的特定位置，而吸附了ＩＰＡ分子的位置原子的背 键不再由于ＯＨ－的作用而减弱，此点的反应暂时停止。此机制使（１１０）面在ＩＰＡ 加入后腐蚀速率Ｖ ｔ１１０，减小，实验通过ＩＰＡ的加入利用Ｖｏｌｏ，、ｖ（１１１）的关系得到
武汉理工大学 硕士学位论文 （100）、（110）硅片湿法各向异性腐蚀特性研究 姓名：李志伟 申请学位级别：硕士 专业：材料物理与化学 指导教师：周建
20080401
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中文摘要
硅基湿法各向异性腐蚀被广泛的应用于ＭＥＭＳ的微结构制作中，例如用来 形成膜片、悬臂梁、凹槽、台面等三维结构。在许多实际的应用当中控制腐蚀 面的形貌是至关重要的，器件通常要求腐蚀表面光滑平整，无缺陷。另外对于 各向异性腐蚀的研究有利于得到更复杂的ＭＥＭＳ微结构。
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第１章绪论
１．１ ＭＥＭＳ简介
最初于１９５９年，Ｒｉｃｈａｒｄ Ｐ Ｆｅｙｎｍａｎ（１９６５年诺贝尔物理奖获得者）就提出了 微型机械的构想。１９６２年硅微型压力传感器的问世、１９６５年硅脑电极探针的研 制都在ＭＥＭＳ的发展中占有重要地位。１９８８年美国加州大学伯克利分校研制出 转子直径为６０－１２ｕｍ的硅微型静电机，显示出利用硅微加工工艺制造小可动结 构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力【１１。
ｔｈｅ队Ｔｈｅ Ｉｎ ｔｈｅ ＫＯＨ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｉｓｏｐｒｏｐｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｂｕｂｂｌｅｓ Ｃａｌｌ
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ｓｉｌｉｃａｔｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ
ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｃａｎｎｏｔ ｗｅａｋ ｔｈｅｉｒ ｂａｃｋｂｏｎｄｓ．Ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｉｓ ｔｅｍｐｏｒａｒｙ ｓｔｏｐｐｅｄ．ＩＰＡ
ａｄｄｉｔｉｏｎ ｔｏ ＫＯＨ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅｄｕｃｅ ｅｔｃｈ ｒａｔｅｓ ｏｆ（１ １０）·ｔｙｐｅ ｐｌａｎｅｓ．
１，６·ｈｅｘａｎｅｄｉｏｌ ａｎｄ Ｃ２Ｈ５０Ｈ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｔｏ ＫＯＨ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｐｉｔｉｏｕｓ ｔｏ ｓｉｌｉｃａｔｅ
１．１．２ ＭＥＭＳ的研究和应用领域
微机电系统微型化、智能化、集成度高和多学科交叉等一系列特点，微机 电系统的研究领域不仅与微电子学密切相关，而且还广泛涉及到机械、材料制 造、信息与自动控制、微摩擦学、微热力学、化学和生物等多种学科，所以微 机电系统技术是－－Ｉ＂Ｊ多学科的综合技术。微机电系统的研究包括：理论与技术 研究、ＭＥＭＳ材料、ＭＥＭＳ制造工艺研究。微机电系统理论基础研究和技术基
ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｃｅ ｏｆ ＩＰＡ ｉｓ ｔｈｏｕｇｈｔ ｔｏ ｂｅ ａ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ＩＰＡ
ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ ＯＨ－ｉｏｎｓ ｉｎ ｓｅｔｔｌｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｉｔｅｓ，ＳＯ ｔｈｅ ｓｉｔｅｓ ｗｉｍ ＩＰＡ
ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｉｎｃｔｒｄｕｃｉｎｇ １，６－ｈｅｘａｎｅｄｉｏｌ ａｎｄ Ｃ２Ｈ５０Ｈ ｔＯ ＫＯＨ
ｓｕｒｆａｃｅ啪ｂｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｕｎｄｅｒ ５０ｖ０１％ＫＯＨ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｓｍｏｏｔｈ
ｕｓｅｄ ｆｏｒ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＭＥＭＳ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ．
ａｎｄ ｈｙａｒｏｇｅｎ ｂｕｂｂｌｅｓ ｄｅｔａｃｈｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｅｔｃｈｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ．ｎｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｔｏ Ｓｉ（１１０）
ｓｕｒｆａｃｅ ｉｓ ｌｉｍｔｔｅｄ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ’ｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｏｆ ｗｅｔ ｅｔｃｈｉｎｇ．ｓｉ（ｎｏ）
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Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｗｅｔ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｅｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｉｓ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｅｓ ｆｏｒ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＭＥＭＳ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ，
ｄｅｐｅｎｄｅｄ ｏｎ ｉｔｓ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．
Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｗｅｔ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｅｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｓ ａｎａｌБайду номын сангаасｓｅｄ．
Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｗｅｔ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｅｔｃｈｉｎｇ ｏｆ（１００）、（１１０）ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．
研究生签名：≤乏杠日期：—匹卫虬
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研究生签名： 弘 导师签名：２亟垄皂一日期：Ｊ堕卫匝
１．１．１ ＭＥＭＳ的概念和基本特征
一、ＭＥＭＳ的概念 ＭＥＭＳ是微电子机械系统（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）的英文缩写，
是指采用微机械加工技术可以批量制作的，集微型传感器、微型机构、微型执 行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。 ＭＥＭＳ技术自２０世纪８０年代末开始受到世界各国的广泛重视，其主要技术 途径有３种【刎：（１）在美国，ＭＥＭＳ研究是以半导体集成电路工艺技术为基础 延伸和拓展而来，它已经成为硅基ＭＥＭＳ的主流技术。ＭＣＮＣ对ＭＥＭＳ的定 义是：由电子和机械元件组成的集成化微器件或者系统，它是采用与集成电路 兼容的大批量处理工艺制造的并且尺寸在微米和毫米之间；（２）欧洲称之为 Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ即微系统，这一称谓更强调系统的特点，即如何将多个微型化传感 器、执行器、处理电路等元件集成为一个智能化的有机整体，它具有传感、信 号处理和致动功能，通常组合了两个或者多个电、机、光、化学、生物、磁或 其他特性的微型元器件，集成一个或者多个混合芯片；（３）在日本用传统的方法， 以大机械力ｎ－ｒｄ，机械，再用小机械加工微机械，称为Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅ即微机械。 日本微机械中心的定义是：微机械是由几个微米大小的功能元件组成，并成执 行复杂、微细的任务。