 |
邁可諾技術有限公司
主營產品： 美國Laurell勻膠機,WS1000濕法刻蝕機,Cargille光學凝膠,EDC-650顯影機,NOVASCAN紫外臭氧清洗機 |
12
聯系電話
|
邁可諾技術有限公司
主營產品： 美國Laurell勻膠機,WS1000濕法刻蝕機,Cargille光學凝膠,EDC-650顯影機,NOVASCAN紫外臭氧清洗機 |
聯系電話
2020-11-20 閱讀(8327)
硅的各向異性濕法腐蝕是一種常用的制造微機械結構的體硅微加工技術，因為其實現相對容易，成本也相對低廉。而且，在大多數工藝中不需要消耗電力資源。
在這一過程中，其反應為：Si+4H2O->Si(OH)4+2H2
氫氧根離子沒有明確出現在反應中，但它十分重要，因為它催化反應并確保Si(OH)4產物在溶液中的溶解度。腐蝕的速率取決于溫度、蝕刻劑組成和表面的晶體學取向關系。值得注意的是，因為這種反應只涉及到化學反應，當半導體的電位被外部電源改變使，它的反應速率卻不受影響。
各向異性
所有堿性蝕刻劑對硅的腐蝕都是各向異性的，蝕刻速率依賴于晶體取向。Zkuai的腐蝕面通常是(100)，而(111)腐蝕率Zdi，其分解速率受限于化學反應動力學。對各向同性蝕刻劑而言，分解由與半導體反應的離子的擴散速率決定。各向異性可以由表面輪廓清楚地觀察。如果(100)的硅晶片表面由蝕刻掩模圖案化，腐蝕面受(111)限制，終侵蝕坑的形狀是一個v型槽或一個倒金字塔。腐蝕的邊與(110)對齊，與蝕刻掩模的初始形狀無關。
(100)硅各向異性蝕刻后的掃描電鏡照片和示意圖。注意,蝕刻掩模的初始形狀并不是方形的。腐蝕條件：TMAH，80℃
由于各向異性，在(100)硅上的結構尺寸總是受小尺寸限制。< 100 >和< 111 >之間的夾角是54.74°。因此,一個蝕刻的深坑深度A其小寬度為2A/ tan(54.74°)。
蝕刻深度為A的深坑所需掩模的小寬度
使用（110）硅晶圓可能可以改善濕法刻蝕的低高寬比。由于起限制作用的(111)面垂直于(110)面。因此,蝕刻坑的側壁和表面之間的角度為90°[Kendall, 1979]。然而,(110)硅晶圓并不是現今IC制程的標準晶片，(100)晶片通常用于微加工。
有許多理論試圖解釋硅的各向異性腐蝕(例如[Elwenspoek,1993-1996], [Kendall, 1990], [Palik, 1985], [Seide, 1990])，但確切的機制尚不清楚。有理論使用表面原子懸掛鍵的數量來解釋各向異性：即(111)面的表面原子是與晶格中的三個原子結合，而只有一個懸掛鍵；(100)面的表面原子原子是與晶格中的二個原子結合，有兩個懸掛鍵。因此,(100)表面活性比(111)面高的多。但這也只給出各向異性蝕刻一個定性的理解，無法解釋各向異性的刻蝕比通常超過100[Bressers,1995]。
凸角結構
各向異性蝕刻的性質意味著凹角的形成是非常直截了當的。然而,凸角的出現非常復雜。當一個自支撐的結構,比如體硅微機械加速度計的激振質量塊在制造的過程中，凸角的暴露是不可避免的。在凸角處，許多不同晶面同時暴露在腐蝕劑，導致相當大的過度蝕刻。對于大多數微加工的工藝來說，這是不可取的，因為它導致了定義的形狀(質量)出現嚴重錯誤。不同的角度補償掩膜已經應用到制作方角（[Enoksson, 1997], [vanKampen, 1995], [Mayer, 1990])。Z簡單的結構包含一個沿著（100）面的懸臂梁，其寬度應該是蝕刻深度的兩倍。
刻蝕掩膜
其暴露于溶液中的晶片的一部分被蝕刻掩模來定義，蝕刻劑應對蝕刻掩模材料具有高的選擇性（蝕刻速率比）。常用的材料是氧化硅和氮化硅、惰性金屬，例如金，鉑，也被用于此目的。
常用的蝕刻劑
Z常用的腐蝕劑是乙二胺鄰苯二酚（EDP）、肼、KOH溶液和四甲基氫氧化銨（TMAH）。前兩者劇毒，處理過程中需要特別小心。相比之下，后二者更受歡迎。KOH系蝕刻劑是無毒的，并具有相對高的蝕刻速率和高的各向異性比（各向異性比是[100]/[111]的蝕刻速率的比值）。但是，由于移動的K+離子污染，它不與CMOS工藝兼容。蝕刻之后，無法進行熱處理。在近幾年中，TMAH蝕刻劑得到了廣泛的關注，因為它是*兼容CMOS的。四甲基銨離子是相當大的，不擴散進入硅晶格中。另一個有趣的特征是通過加入硅或硅酸[Sarro，1998]可能鈍化鋁金屬化。相比KOH溶液的另一個優點是對氧化硅的選擇性高。這意味著，相對薄的層的氧化硅可以用作蝕刻掩模。TMAH溶液刻蝕速率比的KOH溶液低，并且它們也有一個較低的各向異性比（通常為4倍）。因此，用現有的凸角補償結構實際上不可能產生良好定義的凸角。一種有效的角補償結構是不可能的，因為它的尺寸容易變得過大。
硅和掩膜的蝕刻速率
(100)取向的Si蝕刻速率作為溫度和TMAH溶液濃度的函數(5％(a)，15％(b)，20％(c)25％(d))
上圖顯示在不同的TMAH溶液中，溫度65℃和95℃之間測得的蝕刻速率為[Sarro，1998]。注意，較高濃度導致更低的蝕刻速率，較高的溫度導致更高的蝕刻速率。在80℃，濃度33%的典型KOH溶液中腐蝕速率為120μm/h[Kwa，1995]。這是相同溫度下25%TMAH溶液的蝕刻速率的4倍。
不同掩模層的蝕刻速率(PECVD氧化物(a)中，PECVD氮化硅(b)，熱氧化物(c)和LPCVD氮化硅(d))的隨溫度在5％和25％的TMAH溶液的函數
該圖顯示不同的蝕刻掩模層（PECVD氧化硅，PECVD氮化硅，熱生長的氧化硅和LPCVD氮化硅）的蝕刻速率。[Sarro，1998]?；旧吓c硅刻蝕的趨勢是相同的：較低的濃度，較高的蝕刻速率和較高的溫度導致更高的蝕刻速率。注意，所有的層具有非常低的蝕刻速率，因此適合作為材料的蝕刻掩模。比較之下，熱生長的氧化硅在80℃的25％的TMAH溶液的蝕刻速度僅有12nm/h，而相同溫度下33％的KOH溶液的蝕刻速率高達1000nm/h。這表明TMAH溶液對氧化硅具有相當高的選擇性。TMAH的選擇比為2500:1，KOH為120:1。
表面形貌
重要的是,對于許多傳感器應用，蝕刻半導體產生一個平滑的表面[Kwa，1995]。表面形態取決于蝕刻條件。
在80℃蝕刻的硅表面的SEM照片，5％(左圖)和25％(右圖)TMAH溶液
在該圖中顯示了以不同的TMAH溶液進行蝕刻的兩種表面。高濃度（>20％）的溶液比用低濃度的溶液趨向于產生較平滑的停止面。因為高濃度也導致較低的蝕刻速率，蝕刻速率和表面粗糙度之間存在一個平衡點。對TMAH溶液而言，溫度對表面形態并不重要。由圖中可以看出，表面的粗糙主要為錐體小丘。小丘形成的確切機制尚不清楚。有一種說法是，小丘是由于刻蝕過程中產生的氫氣氣泡附著在表面，從而產生局部蝕刻掩模[Campbell, 1995]。在溶液中加入氧氣以減少小丘形成曾被報道，因為氫氣與氧氣反應形成水。另一個理論認為，在蝕刻工藝期間形成小丘是來自硅烷(SiH4)的少量沉積物。SiH4只有在低濃度OH-才能穩定存在，這很好的解釋了表面形貌由濃度決定[Bressers，1996]。據觀察，在陽極極化或加入氧化劑進行蝕刻能抑制小丘的產生，得到平滑的表面。因為在這種情況下，氫氣的生成速率是不變的。Bressers認為小丘的形成不可能是由于氫氣泡。
