硅的湿法刻蚀工艺研究现状

大连理工大学研究生试卷

系别：机械工程学院

课程名称：微制造与微机械电子系统

学号：21204135

姓名：范振喜

考试时间：2013年 1 月15 日

硅的湿法刻蚀工艺研究现状

范振喜

（大连理工大学机械工程学院大连）

摘要：硅的湿法刻蚀技术是微机械加工中最基础、最关键的技术。本文系统的总结了近年来硅的湿法刻蚀工艺的研究内容，包括硅的深槽刻蚀工艺、硅刻蚀均匀性技术、超声波技术及Cr掩膜在硅刻蚀中的应用以及用动力学蒙特卡罗法仿真刻蚀过程。

关键词：硅；湿法刻蚀；深槽刻蚀；刻蚀均匀性；超声技术；Cr掩膜；蒙特卡罗

Current Study on Silicon Wet Etching Technology

FAN Zhenxi

(Department of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, China)

Abstract:Silicon wet etching is the most fundamental and key technology in micro—mechanical processing. This paper summarizes the research contents of silicon wet etching technology during the recent years , including silicon etching process of deep groove, silicon etching uniformity technology, the application of ultrasonic technology and Cr mask in silicon etching and the simulation of etching processing with dynamic Monte Carlo method.

Key words: Silicon; wet etching; deep etching;etch uniformity; ultrasonic; Cr mask;Monte Carlo

0前言

随着电子元器件的小型化发展，微机电系统(MEMS)已成为制作微机械、传感器、控制电路等微器件及其集成于芯片的关键技术。由于芯片的集成和制造多以硅为基体，作为硅基体加工中最基础、最关键技术的硅的湿法刻蚀工艺被广泛应用于实际生产中。

本文主要对近年来的硅的湿法刻蚀工艺研究现状进行了汇总，主要从深槽刻蚀工艺、刻蚀均匀性技术、超声波技术及Cr掩膜在刻蚀中的应用及用动力学蒙特卡罗法仿真刻蚀工艺方面进行介绍。

1 深槽湿法刻蚀工艺[1,2,3]

MEMS器件的机械元件部分需要很大的刻蚀深度(5～500um),而通常加工出的深槽深度为 100～200um ,随着深度的进一步增加,硅的表面将出现不平整的小丘,掩蔽层也逐渐脱落,对器件的性能影响极为严重。但通过对腐蚀液的浓度、温度、添加剂种类及其浓度做相应的设定便可解决以上难题。

1.1 刻蚀速率

图1所示为刻蚀速率与KOH溶液浓度的关系,刻蚀速率在30%(wt)处出现峰值。

由图2可知,刻蚀速率随温度升高急剧增大。

图1 刻蚀速度与腐蚀液浓度的关系图2 刻蚀速率与溶液温度的关系刻蚀速率与表面活化剂SDSS(sodium dihexyl sulfosuccinate)和IPA(异丙醇)添加浓度关系如图3所示。实验结果还表明,异丙醇的添加对刻蚀速率的提升效果较SDSS更为显著。

图3 刻蚀速率与添加剂浓度的关系

1.2 表面粗糙度

在刻蚀过程中,常常会由于生成的氢气气泡吸附在硅片表面,形成“伪掩膜”而产生锥状小丘,致使表面粗糙.为改善表面粗糙度,实验中采取了搅拌、添加不同浓度的SDSS与IPA 等措施,刻蚀后硅表面的SEM形貌如图4所示。实验结果显示,平整度最优的添加剂浓度与刻蚀速率峰值时的添加剂浓度有很好的对应。

(a)不搅拌 (b)搅拌 (c)搅拌+ 0.1%(wt)SDSS (d)搅拌+7.5%(wt)

图4 刻蚀表面形貌

1.3深度刻蚀

利用优化的刻蚀条件:30%(wt)KOH,100℃,7.5%(wt)IPA,搅拌,进行深度刻蚀,可得到图形度完好的刻蚀窗口,其光学显微图如图5所示。刻蚀窗口深度达236um,较常用刻蚀条件,刻蚀速率可提高约2倍,各向异性明显,窗口四壁呈倒口坡面,斜坡角度与理论的54.37°较为吻合。

图5 深度刻蚀窗口

2 湿法刻蚀均匀性技术[4]

刻蚀均匀性是一种衡量刻蚀工艺在整个硅片上，或整个一批，或批与批之间刻蚀能力的参数。保持硅片的均匀性是保证制造性能一致的关键。由于湿法刻蚀是晶片浸泡在腐蚀液中完成的，因此要保证刻蚀均匀性，就必须保证腐蚀液各参数在工艺槽内各处的一致性。相关参数主要有: 溶液温度、溶液流场、药液浓度等。

2.1 搅拌

在刻蚀槽内设置搅拌装置，使工艺处理过程中溶液不断搅拌，从而使溶液的温度、浓度等均匀性提高，进而提高刻蚀的均匀性。如图6所示。

图 6 搅拌装置示意

2.2 晶片转动

半导体制造工艺过程中，晶片的传输和处理一般是装载在片盒中完成的。然而，晶片的边缘与片盒不可避免会有接触，而且片盒的卡槽会遮挡相当面积的边缘。如果在晶片的化学处理过程中，使晶片在片盒中做自转运动，避免某一边缘区域始终处于卡槽内，就可以有效改善这种情况。方法如图7所示，在晶片底部设置一根驱动转轴，当转轴旋转时带动晶片自转。

图 7晶片转动示意

2.3 溶液溢流循环

相比溶液静态刻蚀，利用泵让四面溢流循环起来，刻蚀均匀性会有很大的提高，因为溢流循环可大大改善溶液的温度均匀性、浓度均匀性以及流场状态。图8所示为溢流循环槽的结构，溶液从底部注入到工艺槽内，然后从四面顶部溢流到溢流槽，再从溢流槽底部排除。

图8 溢流循环槽的结构示意

2.4溶液层流设计

刻蚀溶液的流场决定着晶片局部接触有效刻蚀成分的机会，所以紊流会造成刻蚀的不均