MEMS工艺(9腐蚀技术)

A：乙酸(CH3COOH)
W: Water
Etching Bulk Silicon
三、自停止腐蚀技术 机理：
EPW和KOH对硅的腐蚀在掺杂浓度小 于11019cm-3时基本为常数，超过该浓 度时，腐蚀速率与掺杂硼浓度的4次方 成反比，达到一定的浓度时，腐蚀速率 很小，甚至可以认为腐蚀“停止”。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2.EDP system
EPW[NH2(CH2)2NH2乙二胺，C6H4(OH2)2 (邻 苯二酚)，H2O] EDP[ Ethylen Diamine, Procatechol, H2O] 特点：蒸 气有毒，时效较差， P+选择性好
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
薄膜残余应力问题
薄膜应力引起结构破裂的问题，主要分为两 大类：
第一类是制造过程的残留热应力、高温淀积后回 归常温，由于热膨胀系数不同所产生的残留热应 力；这种残留热应力可由高温退火的方式达到一 定消除；
第二类是薄膜间因膨胀系数不同造成的残余应力
凸角腐蚀补偿
凸角腐蚀是指在硅岛或硅梁的腐蚀成型过 程中，凸角部分被腐蚀掉的现象，体硅各 向异性腐蚀时经常出现，这是因为对(100) 晶面的硅片体硅腐蚀时，凸角的边缘与[110] 方向平行，而腐蚀液对此方向的腐蚀速度 较快。若要腐蚀出带凸角的整齐的台面结 构，必须采取凸角补偿。
重掺杂自停止腐蚀工艺流程
3、（111）面自停止腐蚀
KOH溶液对（100）和（111）面硅的 腐蚀速率差别很大，可高达100～400 倍，因此可利用（111）面作为停止腐 蚀的晶面。
（111）面自停止腐蚀工艺流程
4、电化学自停止腐蚀
电化学自停止腐蚀技术不需要重掺杂层，由于 用了外延技术，因此腐蚀自停止层可以做的很 厚。
首先是硝酸同硅发生化学反应生成SiO 2，然后 有HF将SiO 2溶解。
Si HNO3 HF H 2 SiF6 HNO2 H 2O H 2
优点： 无尖角， 较低应力
刻蚀速度快
可用光刻胶掩膜
目前主要的各向同性腐蚀液为： NHA和HNW
H：氢氟酸(HF)
N：硝酸(HNO3)
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 SiO3 2H
2
KOH的刻蚀机理
2.EDP system
氮化硅 氮化硅
EDP KOH EDP
KOH EDP
0.75m/min 40-80nm/h 12nm/h
5nm/h 6nm/h
影响腐蚀质量因素
反应机制
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
影响腐蚀质量因素
晶格方向
腐蚀溶液的选择
腐蚀溶液的浓度
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
干法刻蚀的过程：
腐蚀性气体离子的产生 离子向衬底的传输 衬底表面的腐蚀 腐蚀反应物的排除
干法腐蚀的主要形式：
*纯化学过程：（等离子体腐蚀 ) *纯物理过程： (离子刻蚀、离子束腐蚀） *物理化学过程：反应离子腐蚀RIE ，离子 束辅助自由基腐蚀ICP.
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。
高掺杂硼有两个缺点：
与标准的CMOS工艺不兼容
导致高应力，使得材料易碎或弯曲
重掺杂硼的硅腐蚀自停止效应比重掺杂磷的 硅明显，所以工艺中常采用重掺杂硅作为硅 腐蚀的自停止材料。
不同的晶面悬挂键密度（表面态密度）
{100}
{111}
腐蚀窗口短边存在最小尺寸：
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。
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。
（1） 重掺杂自停止腐蚀(KOH 和EDP：51013/cm3， RE/RD~100) （2）(111)面停止 （3） 时间控制 （4）P-N结自停止腐蚀 （5）电化学自停止腐蚀
自停止腐蚀典型工艺流程
工艺路线（1）
硅 光刻胶 扩散层 二氧化硅
工艺路线（2）
1、薄膜自停止腐蚀
薄膜自停止腐蚀是指晶片刻蚀到最后，终止于其它不 会被刻蚀所影响的薄膜，这层薄膜可以是氧化硅、氮 化硅、富硅氮化硅、聚亚酰胺，甚至是金属。 利用薄膜自停止腐蚀必须考虑刻蚀选择性，以及薄膜 应力问题，因为应力太大将使薄膜发生破裂。
体硅各向异性腐蚀技术
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），因为：
水分子的屏蔽作用，(111)面有较高的原子密 度，水分子容易附着在(111)面上； (100)面每个原子具有两个悬挂键，而(111)面 每个原子只有一个悬挂键，移去(111)面的原 子所需的能量比(100)面要高。
湿法腐蚀
简介 各向异性腐蚀 各向同性腐蚀 自停止腐蚀技术
简介
材料刻蚀是微纳技术的最重要手段之一， 在进行新工艺设计时，了解各种材料的 刻蚀速率和腐蚀特性是极为重要的前提。 微技术的出现，加快了各种腐蚀技术特 别是硅腐蚀技术的研究步伐。
硅腐蚀方法主要有两种：干法和湿法 腐蚀特性主要有：各向同性和各向异性 腐蚀的控制： 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）
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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； 磁装臵搅拌，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
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 臵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。
腐蚀时间
表面流速A
操作温度温度
转子
硅片 深度A
表面流速B
搅拌方式
低速区 深度B 高速区 腐蚀液 容器
100方向硅片的腐蚀特点
111面凹角停止
110方向硅片的腐蚀特点
影响各向异性腐蚀的主要因素
(1) 溶液及配比
(2) 温度
各向同性腐蚀
硅的各向同性腐蚀在半导体工艺中以及在微 机械加工技术中有着极为广泛的应用。常用的 腐蚀液为HF-HNO3加水或者乙酸系统。腐蚀机 理为：
在物理腐蚀方法中，利用放电时所产生的高能 惰性气体离子对材料进行轰击，腐蚀速率与轰 击粒子的能量、通量密度以及入射角有关； 在化学腐蚀中，惰性气体（如四氟化碳）在高 频或直流电场中受到激发并分解（如形成氟离 子），然后与被腐蚀材料起反应形成挥发性物 质； 在物理化学结合的方法中，既有粒子与被腐蚀 材料的碰撞，又有惰性气体与被腐蚀材料的反 应。
凸角腐蚀补偿
重掺杂自停止腐蚀法
当目标结构的厚度相对较薄时 在加工结构前先在硅片上扩散自停止层，深度 达到所需结构厚度，光刻后用干法腐蚀出结构 图形，然后体硅腐蚀，准确得到设计的结构。
目前比较常见的补偿方式
（100）面双方块凸角腐蚀补偿
（100）面双方块凸角腐蚀补偿
（100）面双方块凸角腐蚀补偿
氮气出口 冷凝水出口
腐蚀设备
冷凝洄流管道 冷凝水 温控温度计 冷凝水入口
氮气
气体 流量 控制 计
磨沙密封口
氮气入口
硅片 腐蚀液 甘油池 石英提篮 石英支架 搅拌器转子 加热电炉
继电器 电源
硅和硅氧化物典型的腐蚀速率
材料 硅在<100>晶向 腐蚀剂 KOH 腐蚀速率 0.25-1.4m/min
硅在<100>晶向 二氧化硅 二氧化硅
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。
MEMS工艺—— 体硅加工工艺（腐蚀）
石云波
3920397(O) shiyunbo@nuc.edu.cn
主要内容
湿法腐蚀
各向异性 各向同性 自停止腐蚀技术 凸角补偿技术
干法刻蚀
深槽技术
一、体硅微制造
体硅微制造广泛应用于微型传感器和 加速计的制造上 通过基底材料的去除（通常是硅晶 片），来形成想要的三维立体的微结 构。
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。
硅刻蚀的技术是将被腐蚀材料先氧化，然 后由化学反应使其生成一种或多种氧化物 再溶解。
在同一腐蚀液中，由于混有各种试剂，所 以上述两个过程是同时进行的。
体硅各向异性腐蚀 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。
腐蚀技术概述
因为缺乏对工件形状的控制手段，各向同性腐蚀 在微加工生产中总是很难达到技术要求
体硅腐蚀包括:各向异性腐蚀和 各向同性腐蚀
各向异性腐蚀的不足：
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
5、 P－N 结自停止腐蚀
（1）电钝化腐蚀： 各向异性腐蚀液
（2）PN结自停止：
N-Si
P-Si
腐蚀保护技术
如果硅晶片表面已经形成一些图案，其中 部分薄膜会被腐蚀液所影响，所以必须利 用腐蚀保护技术来保护已完成的结构。 目前常用的保护技术有两种：
一是制作夹具或用胶将整个面保护住；
另一种是淀积氮化硅将正面包住，待背后腐蚀 完后再将氮化硅去除
Ethylenedamine 为有机淡黄色溶液，加入 pyrocatochol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； EDP不具碱金属离子，可与IC制程相容，且对蚀刻 停止所需的硼掺杂浓度较低，大约为7 x 1019 离子 /cm-3，但是EDP具有毒性，蚀刻操作温度须在摄 氏一百多度，危险性较高，操作及废液处理的困难 度亦较高，故在一般微机电制程中不常使用。
四、干法腐蚀
湿法腐蚀的缺点：图形受晶向限制，深宽比较差， 倾斜侧壁，小结构粘附。
侠义的干法刻蚀主要是指利用等离子体放 电产生的化学过程对材料表面的加工 广义上的干法刻蚀则还包括除等离子体刻 蚀外的其它物理和化学加工方法，例如激 光加工、火花放电加工、化学蒸汽加工以 及喷粉加工等。
干法刻蚀的优点：