MEMS工藝(4體硅微加工技術(shù))梁庭(1)

1、MEMSMEMS工藝工藝硅微加工工藝（腐蝕）硅微加工工藝（腐蝕）梁梁 庭庭 3920330(o) L內(nèi)容腐蝕工藝簡(jiǎn)介濕法腐蝕干法刻蝕其他類(lèi)似加工工藝腐蝕工藝簡(jiǎn)介腐蝕工藝簡(jiǎn)介 腐蝕是指一種材料在它所處的環(huán)境中由于另一種材料的作腐蝕是指一種材料在它所處的環(huán)境中由于另一種材料的作用而造成的緩慢的損害的現(xiàn)象。然而在不同的科學(xué)領(lǐng)域?qū)τ枚斐傻木徛膿p害的現(xiàn)象。然而在不同的科學(xué)領(lǐng)域?qū)Ωg這一概念則有完全不同的理解方式。腐蝕這一概念則有完全不同的理解方式。 在微加工工藝中，在微加工工藝中，腐蝕工藝腐蝕工藝是用來(lái)是用來(lái)“可控性可控性”的的“去除去除”材料的工藝。材料的工藝。大部分的微加工工藝基于“Top-Do

2、wn”的加工思想。“Top-Down”加工思想：通過(guò)去掉多余材料的方法，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的加工。（雕刻泥人）腐蝕工藝簡(jiǎn)介腐蝕工藝簡(jiǎn)介腐蝕工藝重要性腐蝕工藝重要性作為實(shí)現(xiàn)“去除去除”步驟的腐蝕工藝是形成特定平面及三維結(jié)構(gòu)過(guò)程中，最為關(guān)鍵的一步。圖形工藝掩模圖形生成臺(tái)階結(jié)構(gòu)生成襯底去除犧牲層去除清潔表面腐蝕工藝簡(jiǎn)介腐蝕工藝簡(jiǎn)介腐蝕工藝作用腐蝕工藝作用腐蝕腐蝕紅光紅光LED結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)藍(lán)光藍(lán)光LED結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)藍(lán)寶石襯底藍(lán)寶石襯底紅光紅光LED結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)藍(lán)光藍(lán)光LED結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)藍(lán)寶石襯底藍(lán)寶石襯底紅光紅光LED結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)藍(lán)光藍(lán)光LED結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)藍(lán)寶石襯底藍(lán)寶石襯底紅光紅光LED藍(lán)光藍(lán)光LED結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)藍(lán)寶石襯底藍(lán)寶石襯底紅光

3、紅光LED藍(lán)光藍(lán)光LED藍(lán)寶石襯底藍(lán)寶石襯底紅光紅光LED藍(lán)光藍(lán)光LED藍(lán)寶石襯底藍(lán)寶石襯底藍(lán)光藍(lán)光LED結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)藍(lán)寶石襯底藍(lán)寶石襯底紅光紅光LED結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)濕法腐蝕濕法腐蝕“濕濕”式腐蝕方法，基于溶液狀態(tài)的腐蝕劑。濕法腐蝕工藝特點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，成本低可控參數(shù)多，適于研發(fā)受外界環(huán)境影響大濃度、溫度、攪拌、時(shí)間有些材料難以腐蝕濕法腐蝕方向性各向同性腐蝕腐蝕速率在不同方向上沒(méi)有差別各向異性腐蝕對(duì)不同的晶面的腐蝕速率有明顯差別利用各向異性腐蝕特性，可以腐蝕出各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。各向異性腐蝕和各向同性腐蝕硅腐蝕方法：干法干法和濕法濕法腐蝕方向選擇性：各向同性各向同性和各向異性各向異性腐蝕材料選擇性：

4、 選擇性刻蝕選擇性刻蝕或非選擇性非選擇性刻蝕刻蝕選擇方法：晶向晶向和掩模掩模多種腐蝕技術(shù)的應(yīng)用：體硅工藝體硅工藝（三維技術(shù)），表面硅工藝表面硅工藝（準(zhǔn)三維技術(shù)）硅的各向異性腐蝕硅的各向異性腐蝕是利用腐蝕液對(duì)單晶硅不同晶向腐蝕速是利用腐蝕液對(duì)單晶硅不同晶向腐蝕速率不同的特性，使用抗蝕材料作掩膜，率不同的特性，使用抗蝕材料作掩膜，用光刻、干法腐蝕和濕法腐蝕等手段制用光刻、干法腐蝕和濕法腐蝕等手段制作掩膜圖形后進(jìn)行的較大深度的腐蝕。作掩膜圖形后進(jìn)行的較大深度的腐蝕。機(jī)理：腐蝕液發(fā)射空穴給硅，形成氧化機(jī)理：腐蝕液發(fā)射空穴給硅，形成氧化態(tài)態(tài)Si+，而羥基，而羥基OH-與與Si+形成可溶解的形成可溶解的硅

5、氫氧化物的過(guò)程。硅氫氧化物的過(guò)程。硅的各向異性腐蝕技術(shù)硅的各向異性腐蝕技術(shù)各向異性各向異性(Anisotropy)各向異性腐蝕液通常對(duì)單晶硅各向異性腐蝕液通常對(duì)單晶硅(111)面的腐面的腐蝕速率與蝕速率與(100)面的腐蝕速率之比很大（面的腐蝕速率之比很大（1：400）濕法腐蝕的化學(xué)物理機(jī)制腐蝕生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)是典型的各向異性表現(xiàn)。腐蝕作用：晶體生長(zhǎng)的反過(guò)程濕法腐蝕的化學(xué)物理機(jī)制腐蝕過(guò)程：反應(yīng)物擴(kuò)散到腐蝕液表面反應(yīng)物與腐蝕表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)物的生成物擴(kuò)散到溶液中去硅腐蝕機(jī)理（P62）SiSiSi2OH-SiSiSiOH-OH-2e-SiOH-OH-OH-OH-2e-2OH-4H2O4OH-2H2

6、OH-離子的參與對(duì)離子的參與對(duì)Si的腐蝕至關(guān)重要，在這一過(guò)程中，由于（的腐蝕至關(guān)重要，在這一過(guò)程中，由于（111）面的懸鍵只有面的懸鍵只有1個(gè)，因而其電離所需的能量較高，導(dǎo)致（個(gè)，因而其電離所需的能量較高，導(dǎo)致（111）面）面的速率最低。的速率最低。100111總反應(yīng)式為：懸鍵密度只是導(dǎo)致各向異性的一個(gè)因素，但不能解釋不同晶面間腐蝕速率有幾百倍這么大的差異。實(shí)際的腐蝕機(jī)制，還和表面的粗糙，微臺(tái)階處的階躍自由能，以及和吸附、擴(kuò)散過(guò)程密切相關(guān)的動(dòng)力學(xué)因素有關(guān)。2H2OSiSiSiSiSiHHOH-HHHHSiOH-OH-（111面）面）（100面）面）缺陷缺陷由于（由于（111）面為理想光滑表面，

7、）面為理想光滑表面，對(duì)該面進(jìn)行腐蝕所需的電離能要對(duì)該面進(jìn)行腐蝕所需的電離能要大，而產(chǎn)生吸附和擴(kuò)散所需的能大，而產(chǎn)生吸附和擴(kuò)散所需的能量也比較高，并且在腐蝕過(guò)程中量也比較高，并且在腐蝕過(guò)程中形成粗糙的幾率比其他面要小很形成粗糙的幾率比其他面要小很多。因而該面的腐蝕速率要小的多。因而該面的腐蝕速率要小的多。多。各向異性腐蝕簡(jiǎn)單小結(jié)：粗糙晶面腐蝕比光滑晶面快。（111）面在腐蝕過(guò)程中會(huì)因表面重建或吸附變得更平坦，因而容易在腐蝕過(guò)程中顯露出來(lái)。理想晶體平滑面腐蝕速率的激活能和化學(xué)反應(yīng)的能量勢(shì)差以及液體傳輸有關(guān)。前者的作用是各向異性的，后者是各向同性的。表面重構(gòu)狀態(tài)影響著腐蝕速率的變化不同的腐蝕劑中，不

8、同陽(yáng)離子會(huì)影響腐蝕過(guò)程中特殊面的穩(wěn)定性，因而導(dǎo)致腐蝕結(jié)果不同。各向異性腐蝕的特點(diǎn)：腐蝕速率比各項(xiàng)同性腐蝕慢，速率僅能達(dá)到1um/min腐蝕速率受溫度影響在腐蝕過(guò)程中需要將溫度升高到100左右，從而影響到許多光刻膠的使用各向異性腐蝕液各向異性腐蝕液腐蝕液：腐蝕液：無(wú)機(jī)腐蝕液：無(wú)機(jī)腐蝕液：KOH, NaOH, LiOH, NH4OH等；等；有機(jī)腐蝕液：有機(jī)腐蝕液：EPW、TMAH和聯(lián)胺等。和聯(lián)胺等。常用體硅腐蝕液：常用體硅腐蝕液：氫氧化鉀氫氧化鉀(KOH)系列溶液；系列溶液；EPW(E：乙二胺，：乙二胺，P：鄰苯二酚，：鄰苯二酚，W：水：水)系列溶系列溶液。液。乙二胺乙二胺(NH2(CH2) 2N

9、H2)鄰苯二酚鄰苯二酚(C6H4(OH) 2)水水(H2O)1.KOH systemKOH是目前在微機(jī)電領(lǐng)域中最常使用的非等向蝕刻液，為一堿金屬之強(qiáng)堿蝕刻液，其金屬雜質(zhì)會(huì)破壞CMOS的氧化層電性，所以不兼容于IC制程；但因其價(jià)格低廉、溶液配制簡(jiǎn)單、對(duì)硅(100)蝕刻速率也較其它的蝕刻液為快，更重要的是操作時(shí)穩(wěn)定、無(wú)毒性、又無(wú)色，可以觀察蝕刻反應(yīng)的情況，是目前最常使用的蝕刻液之一。 1.KOH system溶劑：水，也有用異丙醇(IPA)溶液：20% - 50% KOH溫度： 60 80C速率：1um/分鐘特點(diǎn)：鏡面，易于控制，兼容性差232222HSiOKKOHOHSiKOH的刻蝕機(jī)理2.ED

10、P systemEthylenedamine 為有機(jī)淡黃色溶液，加入pyrocatechol后顏色會(huì)變成暗褐色，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，顏色會(huì)加深，故不易觀察蝕刻表面的反應(yīng)過(guò)程，蝕刻速率也會(huì)改變，這是因?yàn)槲g刻液接觸到空氣中的氧氧化所引起，此一氧化過(guò)程會(huì)使得化合物pyrazine (C4H4N2)增加而改變其蝕刻速率；EDP不具堿金屬離子，可與IC制程相容，且對(duì)蝕刻停止所需的硼摻雜濃度較低，大約為7 x 1019 離子/cm-3，但是EDP具有毒性，蝕刻操作溫度須在攝氏一百多度，危險(xiǎn)性較高，操作及廢液處理的困難度亦較高，故在一般微機(jī)電制程中不常使用。 2.EDP systemEPW NH2(CH2)2N

11、H2乙二胺，C6H4(OH2)2 (鄰苯二酚)，H2O特點(diǎn)：蒸 氣有毒，時(shí)效較差， P+選擇性好23246322224622222)()(2)(3)(2HOHCSiNHCHNHCHHCSiNHCHNHEDP腐蝕條件腐蝕條件腐蝕溫度：腐蝕溫度：115左右左右反應(yīng)容器在甘油池內(nèi)加熱，加熱均勻；反應(yīng)容器在甘油池內(nèi)加熱，加熱均勻；防止乙二胺揮發(fā)，冷凝回流；防止乙二胺揮發(fā)，冷凝回流；磁裝置攪拌，保證腐蝕液均勻；磁裝置攪拌，保證腐蝕液均勻；在反應(yīng)時(shí)通氮?dú)饧右员Ｗo(hù)。在反應(yīng)時(shí)通氮?dú)饧右员Ｗo(hù)。掩膜層：用掩膜層：用SiO2，厚度，厚度4000埃以上。埃以上。3、N2H4 （聯(lián)氨、無(wú)水肼）為有機(jī)、無(wú)色的水溶液，具有

12、很強(qiáng)的毒性及揮發(fā)性，在50oC以上就會(huì)揮發(fā)，故操作時(shí)需在良好裝置下及密閉容器中進(jìn)行。其優(yōu)點(diǎn)包括相容于IC制程，對(duì)于氧化硅(SiO)及氮化硅(SiN)等介電材料蝕刻率 低，Ti、Al、Cr、Au及Pt等金屬也無(wú)明顯蝕刻反應(yīng)，Ti和Al是目前最常用的金屬材料，蝕刻時(shí)不需有其它的保護(hù)層，降低了制程的復(fù)雜性。 4、TMAH 氫氧化四鉀銨為有機(jī)、無(wú)色之水溶液，原本為半導(dǎo)體制程中正膠的顯影液，但目前亦應(yīng)用于蝕刻制程中。 TMAH的毒性低為其最大優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于SiO及SiN等介電材料蝕刻率低；對(duì)于Ti和Al有明顯的蝕刻，在蝕刻組件前需加入適當(dāng)?shù)墓璺勰?，降低?duì)鋁的蝕刻率，亦可加入酸來(lái)降低蝕刻液的pH值，如酸與鋁會(huì)

13、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硅鋁酸鹽，硅鋁酸鹽對(duì)蝕刻液有較好的抵抗能力，可以保護(hù)鋁材的電路。 TMAH的蝕刻反應(yīng)過(guò)程會(huì)因操作參數(shù)不同而有極大的差異，且長(zhǎng)時(shí)間蝕刻蝕刻液亦不穩(wěn)定。此外，適用于硅微加工的高濃度TMAH(15%)價(jià)格高昂，都是無(wú)法廣泛應(yīng)用的原因。 腐蝕設(shè)備腐蝕設(shè)備繼電器電源加熱電爐攪拌器轉(zhuǎn)子石英支架石英提籃硅片溫控溫度計(jì)磨沙密封口冷凝水入口冷凝水出口氮?dú)馊肟诘獨(dú)獬隹诶淠Я鞴艿栏视统馗g液冷凝水氣體流量控制計(jì)氮?dú)夤韬凸柩趸锏湫偷母g速率 材料腐蝕劑腐蝕速率硅在晶向KOH0.25-1.4m/min硅在晶向EDP0.75m/min二氧化硅KOH40-80nm/h二氧化硅EDP12nm/h氮化硅KO

14、H5nm/h影響腐蝕質(zhì)量因素影響腐蝕質(zhì)量因素晶格方向晶格方向腐蝕溶液的選擇腐蝕溶液的選擇腐蝕溶液的濃度腐蝕溶液的濃度腐蝕時(shí)間腐蝕時(shí)間操作溫度溫度操作溫度溫度攪拌方式攪拌方式轉(zhuǎn)子硅片低速區(qū)高速區(qū)容器表面流速A表面流速B深度A深度B腐蝕液 111 面凹角停止面凹角停止 100 方向硅片的腐蝕特點(diǎn)方向硅片的腐蝕特點(diǎn) 110 方向硅片的腐蝕特點(diǎn)方向硅片的腐蝕特點(diǎn) (1) 溶液及配比影響各向異性腐蝕的主要因素影響各向異性腐蝕的主要因素(2) 溫度各向同性腐蝕 硅的各向同性腐蝕在半導(dǎo)體工藝中以及在微機(jī)械加工技術(shù)中有著極為廣泛的應(yīng)用。常用的腐蝕液為HF-HNO3加水或者乙酸系統(tǒng)。腐蝕機(jī)理為：首先是硝酸同硅發(fā)

15、生化學(xué)反應(yīng)生成SiO 2，然后有HF將SiO 2溶解。222623HOHHNOSiFHHFHNOSi優(yōu)點(diǎn)：無(wú)尖角， 較低應(yīng)力刻蝕速度快可用光刻膠掩膜目前主要的各向同性腐蝕液為：NHA和HNWH：氫氟酸(HF)N：硝酸(HNO3)A：乙酸(CH3COOH) W: WaterEtching Bulk Silicon 車(chē)輪法來(lái)測(cè)量平面上不同晶向的腐蝕速率（有局限性）更準(zhǔn)確的反映腐蝕各向異性的是球形法（正相或負(fù)相）三、自停止腐蝕技術(shù)三、自停止腐蝕技術(shù)機(jī)理：機(jī)理：EPW和和KOH對(duì)硅的腐蝕在摻雜濃度小對(duì)硅的腐蝕在摻雜濃度小于于1 1019cm-3時(shí)基本為常數(shù)，超過(guò)該濃時(shí)基本為常數(shù)，超過(guò)該濃度時(shí)，腐蝕速率

16、與摻雜硼濃度的度時(shí)，腐蝕速率與摻雜硼濃度的4次方次方成反比，達(dá)到一定的濃度時(shí)，腐蝕速率成反比，達(dá)到一定的濃度時(shí)，腐蝕速率很小，甚至可以認(rèn)為腐蝕很小，甚至可以認(rèn)為腐蝕“停止停止”。（1） 重?fù)诫s自停止腐蝕(KOH和EDP：51013/cm3)（2）(111)面停止（3） 時(shí)間控制（4）P-N結(jié)自停止腐蝕（5）電化學(xué)自停止腐蝕重?fù)诫s自停止腐蝕自停止腐蝕典型工藝流程自停止腐蝕典型工藝流程硅光刻膠擴(kuò)散層二氧化硅工藝路線（1）工藝路線（2）1、薄膜自停止腐蝕薄膜自停止腐蝕是指晶片刻蝕到最后，終止于其它不會(huì)被刻蝕所影響的薄膜，這層薄膜可以是氧化硅、氮化硅、富硅氮化硅、聚酰亞胺，甚至是金屬。利用薄膜自停止腐

17、蝕必須考慮刻蝕選擇性，以及薄膜應(yīng)力問(wèn)題，因?yàn)閼?yīng)力太大將使薄膜發(fā)生破裂。2 、重?fù)诫s自停止腐蝕技術(shù) KOH對(duì)硅的腐蝕在摻雜濃度超過(guò)閾值濃N0(約為51019CM-3)時(shí)，腐蝕速率很小，輕摻雜與重?fù)诫s硅的腐蝕速率之比高達(dá)數(shù)百倍，可以認(rèn)為KOH溶液對(duì)重?fù)诫s硅基本上不腐蝕。高摻雜硼有兩個(gè)缺點(diǎn)：與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝不兼容導(dǎo)致高應(yīng)力，使得材料易碎或彎曲重?fù)诫s硼的硅腐蝕自停止效應(yīng)比重?fù)诫s磷的硅明顯，所以工藝中常采用硼重?fù)诫s硅作為硅腐蝕的自停止材料。重?fù)诫s自停止腐蝕工藝流程3、（111）面自停止腐蝕KOH溶液對(duì)（100）和（111）面硅的腐蝕速率差別很大，可高達(dá)100400倍，因此可利用（111）面作為停止腐

18、蝕的晶面。（111）面自停止腐蝕工藝流程4、電化學(xué)自停止腐蝕電化學(xué)自停止腐蝕技術(shù)不需要重?fù)诫s層，由于用了外延技術(shù)，因此腐蝕自停止層可以做的很厚。5、 PN 結(jié)自停止腐蝕（1）電鈍化腐蝕：）電鈍化腐蝕： 各向異性腐蝕液各向異性腐蝕液（2）PN結(jié)自停止：結(jié)自停止：P-SiN-Si腐蝕保護(hù)技術(shù)腐蝕保護(hù)技術(shù)如果硅晶片表面已經(jīng)形成一些圖案，其中部分薄膜會(huì)被腐蝕液所影響，所以必須利用腐蝕保護(hù)技術(shù)來(lái)保護(hù)已完成的結(jié)構(gòu)。目前常用的保護(hù)技術(shù)有兩種：一是制作夾具或用膠將整個(gè)面保護(hù)??；另一種是淀積氮化硅將正面包住，待背后腐蝕完后再將氮化硅去除薄膜殘余應(yīng)力問(wèn)題薄膜應(yīng)力引起結(jié)構(gòu)破裂的問(wèn)題，主要分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)是制造過(guò)程的殘留熱應(yīng)力、高溫淀積后回歸常溫，由于熱膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的殘留熱應(yīng)力；這種殘留熱應(yīng)力可由高溫退火的方式達(dá)到一定消除；第二類(lèi)是薄膜間因膨脹系數(shù)不同造成的殘余應(yīng)力凸角腐蝕補(bǔ)償凸角腐蝕補(bǔ)償凸角腐蝕是指在硅島或硅梁的腐蝕成型過(guò)程中，凸角部分被腐蝕掉的現(xiàn)象，體硅各向異性腐蝕時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)，這是因?yàn)閷?duì)(100)晶面的硅片體硅腐蝕時(shí)，凸角的邊緣與110方向平行，而腐蝕液對(duì)此方向的腐蝕速度