半导体工艺试验-电子科技大学

微机电系统课程实验之三

采用湿法刻蚀技术制作微V型槽《微机电系统》课程组编写

电子科技机械电子工程学院

2005年5月

实验名称：采用湿法刻蚀技术制作硅微V 形槽

一、 实验目的

1、理解硅湿法刻蚀加工原理；掌握硅晶体晶向对湿法刻蚀过程、最终形成

结构形状的影响规律；

2、理解微加工工艺流程；通过运用硅湿法刻蚀加工装置、完成其腐蚀实验

过程，培养对微加工过程的具体感性认识； 3、学习微结构测试、分析的相关知识。

二、 实验任务

选择适当硅片，在其上表面上刻蚀平行V 型槽阵列，用于某MEMS 组装结构。周期350微米，槽宽205微米。槽数量3~5个。

三、 实验原理

1、 硅湿法刻蚀加工原理

硅是各向异性材料，因此对硅的不同晶面将有不同的腐蚀速率，基于这种腐蚀特性，可以在硅衬底上加工出各种不同的微细结构，例如我们将要加工的V 型槽。腐蚀剂可分为两类：一类是有机腐蚀剂，例如EPW （乙二胺，邻苯二酸和水按一定比例配成）、联胺；另一类是无机腐蚀剂，例如KOH 、NaOH 、LiOH 、CsOH 、NH 4OH 等等。由于有机腐蚀剂排放的气体有毒，所以我们将考虑采用氢氧化钾溶液作为腐蚀剂。其腐蚀的反应式为：

↑+=++232222H SiO K KOH O H Si

（2-1）

在有乙丙醇（（CH 3）2CHOH ，缩写为IPA ）参与的情况下，其反应式为：

+-+++=+H OH K O H KOH 22

（2-2） 2

6

2)(42--=++OH Si O H OH Si

（2-3）

即首先将硅氧化成含水的硅化物。

O H H OC Si CHOH CH OH Si 22673232

66])([)(6)(+=+--

（2-4）

由上述反应式可知，KOH 首先将Si 氧化成含水的硅化合物，然后与IPA 反应，形成可溶解的硅络合物，这种络合物不断离开硅的表面。 2、 湿法刻蚀加工中的各向异性与V 型槽的形成

(110) (100) (111)

图1 硅晶体的晶面

硅的湿法腐蚀速率与硅晶体的晶面方向有关，这是由硅晶体的各向异性特性得到的。正是硅晶体有此特性，才能制作出各种微细结构。

硅晶体中存在多个晶面，其中较为常用的有三个（目前市场上常见的硅片均是以这三个晶面为衬底）：（100）、（110）、（111）。晶面的相对位置如图1所示。

其中以（100）晶面为衬底的硅片具有以下腐蚀特性：在掩膜上刻出的任一种封闭图形，在经过长时间的腐蚀之后，都会形成〈110〉取向且四侧壁为{111}面的孔腔（注：〈110〉表示与[110]晶向同性质的一系列晶向，{111}表示与（111）晶面同性质的一系列晶向，晶向是晶面的法线），如图2所示。

由Si晶面性质可知，100晶面与111晶面的夹角为54.74°。图3的V型槽结构正是我们希望得到的。

图2 （100）为衬底的硅片腐蚀

图3 硅片上腐蚀出的V型槽结构

（硅片上镀了一层铬作为掩蔽层）

四、实验步骤

1、硅片准备

实验前要选择好硅片，要求以100晶面为衬底。在显微镜下判别硅片属于

（100）、（110）、（111）晶面基底的哪一种类型（可用显微镜观察背面，若是一些规则的正方形方块，则为100晶面）。

将沉积好二氧化硅薄膜的硅片镀上一层均匀的铬层（厚度约0.2μm），然后严格沿基准面平行的方向（110晶向）切割为小方块。

2、熟悉湿法刻蚀加工装置

KOH溶液腐蚀硅的速率与KOH的浓度、温度、晶向、有无IPA有关。为保证腐蚀过程中速率的稳定，所采用的湿法腐蚀装置在设计时须作以下考虑：

a.在腐蚀的化学反应过程中，Si表面的KOH溶液浓度不断变化，所以需

要搅拌装置不断的均匀搅动，以保证溶液的浓度稳定性；

b.高温下产生大量的水蒸气，改变了溶液的浓度，需要冷却回流装置；

c.需要恒温加热装置，以保持溶液的温度（同时保留温度计插孔）；

d.反应过程中有气体产生，需保留出气口。

按照以上考虑，设计并制作出用于KOH溶液的腐蚀装置，如图4所示。3、熟悉湿法刻蚀加工流程

其工艺流程如图5所示，过程为：用甩胶机镀上一层均匀的光刻胶，用光刻机曝光处理，去铬，去胶，去氧化层，然后用湿法腐蚀装置刻蚀V型槽。

要求观察、了解图5中工艺1到工艺6的操作过程，对于相应的设备仪器形成感性认识。

4、配腐蚀液

参考教材与参考资料上的配方，配成腐蚀液。

5、腐蚀

进行具体的腐蚀实验，观察其过程，总结规律，发现其中出现的最主要问题。

6、 测试

学习测试微V 型槽几何形状的有关方法，利用台阶仪等仪器得到微V 型槽几何参数准确数据。

图5 湿法腐蚀工艺流程

五、 实验内容

1、设计腐蚀系统配方；

2、根据实验原理和实验步骤指导内容，动手操作腐蚀实验，记录、分析实

验过程；

3、对微V 型槽形状尺寸进行测试，分析实验结果。

六、 思考题

1、采用（100）基底硅片湿法刻蚀出的微V 形槽底部角度数值是多少、如何

计算出？若采用（110）、（111）硅片湿法刻蚀，能否得到微V 形槽，形状如何？

2、实验中所选用的腐蚀液，对比其他腐蚀系统有什么特点？

3、设计硅微加工工艺过程的一般程序有何规律？

4、实验中作为腐蚀掩蔽层的二氧化硅的变化情况如何？如何更加有效地减

小二氧化硅塌边现象对V 型槽形状精度造成的影响？

5、 有那些测试方法可以测定V 型槽的几何形状与尺寸？使用台阶仪中最重

要的注意事项是什么？

工艺1：镀铬

工艺2：涂胶；烘烤固化

工艺3：曝光去胶，露出图形

工艺7：湿法腐蚀刻V 型槽 工艺6：去二氧化硅层

工艺5：去胶

工艺4：用去铬液去铬