第7章_MEMS工藝(體硅微加工技術)

1、第7章MEMS工藝體硅微加工工藝（腐蝕）內容腐蝕工藝簡介濕法腐蝕干法刻蝕其他類似加工工藝腐蝕工藝簡介腐蝕工藝簡介 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。然而在不同的科學領域對用而造成的緩慢的損害的現(xiàn)象。然而在不同的科學領域對腐蝕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是用來“可控性可控性”的的“去除去除”材料材料的工藝。的工藝。大部分的微加工工藝基于“Top-Down”的加工思想。“Top-Down”加工思想：通過去掉多余

2、材料的方法，實現(xiàn)結構的加工。（雕刻泥人）腐蝕工藝簡介腐蝕工藝簡介腐蝕工藝重要性腐蝕工藝重要性作為實現(xiàn)“去除去除”步驟的腐蝕工藝是形成特定平面及三維結構過程中，最為關鍵的一步。圖形工藝掩模圖形生成臺階結構生成襯底去除犧牲層去除清潔表面腐蝕工藝簡介腐蝕工藝簡介腐蝕工藝作用腐蝕工藝作用腐蝕腐蝕紅光紅光LED結構結構藍光藍光LED結構結構藍寶石襯底藍寶石襯底紅光紅光LED結構結構藍光藍光LED結構結構藍寶石襯底藍寶石襯底紅光紅光LED結構結構藍光藍光LED結構結構藍寶石襯底藍寶石襯底紅光紅光LED藍光藍光LED結構結構藍寶石襯底藍寶石襯底紅光紅光LED藍光藍光LED藍寶石襯底藍寶石襯底紅光紅光LED藍

3、光藍光LED藍寶石襯底藍寶石襯底藍光藍光LED結構結構藍寶石襯底藍寶石襯底紅光紅光LED結構結構硅腐蝕方法：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： 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的應用：體硅工藝體硅工藝（三維技術），表面硅工藝表面硅工藝（準三維技術）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：設備簡單，操作簡便，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有差別各向異性腐蝕對不同

4、的晶面的腐蝕速率有明顯差別利用各向異性腐蝕特性，可以腐蝕出各種復雜的結構。各向異性腐蝕和各向同性腐蝕硅的各向異性腐蝕硅的各向異性腐蝕是利用腐蝕液對單晶硅不同晶向腐蝕速是利用腐蝕液對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行的較大深度的腐蝕。作掩膜圖形后進行的較大深度的腐蝕。機理：腐蝕液發(fā)射空穴給硅，形成氧化機理：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氫氧化物的過程。硅氫氧化物的過程。硅的各向異性腐蝕技術硅的各

5、向異性腐蝕技術各向異性各向異性(Anisotropy)各向異性腐蝕液通常對單晶硅各向異性腐蝕液通常對單晶硅(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）濕法腐蝕的化學物理機制腐蝕生長晶體生長是典型的各向異性表現(xiàn)。腐蝕作用：晶體生長的反過程濕法腐蝕的化學物理機制腐蝕過程：反應物擴散到腐蝕液表面反應物與腐蝕表面發(fā)生化學反應反應物的生成物擴散到溶液中去硅腐蝕機理（P62）SiSiSi2OH-SiSiSiOH-OH-2e-SiOH-OH-OH-OH-2e-2OH-4H2O4OH-2H2OH-離子的參與對離子的參與對Si的腐蝕至關重要，在這一過程

6、中，由于（的腐蝕至關重要，在這一過程中，由于（111）面的懸鍵只有面的懸鍵只有1個，因而其電離所需的能量較高，導致（個，因而其電離所需的能量較高，導致（111）面）面的速率最低。的速率最低。100111總反應式為：懸鍵密度只是導致各向異性的一個因素，但不能解釋不同晶面間腐蝕速率有幾百倍這么大的差異。實際的腐蝕機制，還和表面的粗糙，微臺階處的階躍自由能，以及和吸附、擴散過程密切相關的動力學因素有關。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，）面為理想光滑表面，對該面進行腐蝕所需的電離能要對該面進行腐

7、蝕所需的電離能要大，而產生吸附和擴散所需的能大，而產生吸附和擴散所需的能量也比較高，并且在腐蝕過程中量也比較高，并且在腐蝕過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。各向異性腐蝕簡單小結：粗糙晶面腐蝕比光滑晶面快。（111）面在腐蝕過程中會因表面重建或吸附變得更平坦，因而容易在腐蝕過程中顯露出來。理想晶體平滑面腐蝕速率的激活能和化學反應的能量勢差以及液體傳輸有關。前者的作用是各向異性的，后者是各向同性的。表面重構狀態(tài)影響著腐蝕速率的變化不同的腐蝕劑中，不同陽離子會影響腐蝕過程中特殊面的穩(wěn)定性，因而導致腐蝕結果不同

8、。各向異性腐蝕的特點：腐蝕速率比各項同性腐蝕慢，速率僅能達到1um/min腐蝕速率受溫度影響在腐蝕過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：無機腐蝕液：無機腐蝕液：KOH, NaOH, LiOH, NH4OH等；等；有機腐蝕液：有機腐蝕液：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) 2NH2)鄰苯二酚鄰苯二酚(C6H4(OH) 2)水水(H2O)

9、1.KOH systemKOH是目前在微機電領域中最常使用的非等向蝕刻液，為一堿金屬之強堿蝕刻液，其金屬雜質會破壞CMOS的氧化層電性，所以不兼容于IC制程；但因其價格低廉、溶液配制簡單、對硅(100)蝕刻速率也較其它的蝕刻液為快，更重要的是操作時穩(wěn)定、無毒性、又無色，可以觀察蝕刻反應的情況，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：鏡面，易于控制，兼容性差232222HSiOKKOHOHSiKOH的刻蝕機理2.EDP systemEthylenedamine 為有機淡黃色溶

10、液，加入pyrocatechol后顏色會變成暗褐色，隨著反應的進行，顏色會加深，故不易觀察蝕刻表面的反應過程，蝕刻速率也會改變，這是因為蝕刻液接觸到空氣中的氧氧化所引起，此一氧化過程會使得化合物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，危險性較高，操作及廢液處理的困難度亦較高，故在一般微機電制程中不常使用。 2.EDP systemEPW NH2(CH2)2NH2乙二胺，C6H4(OH2)2 (鄰苯二酚)，H2O特點：

11、蒸 氣有毒，時效較差， 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左右左右反應容器在甘油池內加熱，加熱均勻；反應容器在甘油池內加熱，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；在反應時通氮氣加以保護。在反應時通氮氣加以保護。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、無水肼）為有機、無色的水溶液，具有很強的毒性及揮發(fā)性，在50oC以上就會揮發(fā)，故操作時需在良好

12、裝置下及密閉容器中進行。其優(yōu)點包括相容于IC制程，對于氧化硅(SiO)及氮化硅(SiN)等介電材料蝕刻率 低，Ti、Al、Cr、Au及Pt等金屬也無明顯蝕刻反應，Ti和Al是目前最常用的金屬材料，蝕刻時不需有其它的保護層，降低了制程的復雜性。 4、TMAH 氫氧化四鉀銨為有機、無色之水溶液，原本為半導體制程中正膠的顯影液，但目前亦應用于蝕刻制程中。 TMAH的毒性低為其最大優(yōu)點，對于SiO及SiN等介電材料蝕刻率低；對于Ti和Al有明顯的蝕刻，在蝕刻組件前需加入適當?shù)墓璺勰?，降低對鋁的蝕刻率，亦可加入酸來降低蝕刻液的pH值，如酸與鋁會發(fā)生化學反應生成硅鋁酸鹽，硅鋁酸鹽對蝕刻液有較好的抵抗能力，

13、可以保護鋁材的電路。 TMAH的蝕刻反應過程會因操作參數(shù)不同而有極大的差異，且長時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%)價格高昂，都是無法廣泛應用的原因。 腐蝕設備腐蝕設備繼電器電源加熱電爐攪拌器轉子石英支架石英提籃硅片溫控溫度計磨沙密封口冷凝水入口冷凝水出口氮氣入口氮氣出口冷凝洄流管道甘油池腐蝕液冷凝水氣體流量控制計氮氣硅和硅氧化物典型的腐蝕速率 影響腐蝕質量因素影響腐蝕質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間腐蝕時間操作溫度溫度操作溫度溫度攪拌方式攪拌方式轉子硅片低速區(qū)高速區(qū)容器表面流速A表面流速B深度A深度B腐

14、蝕液Etching Bulk Silicon 車輪法來測量平面上不同晶向的腐蝕速率（有局限性）更準確的反映腐蝕各向異性的是球形法（正相或負相） 111 面凹角停止面凹角停止 100 方向硅片的腐蝕特點方向硅片的腐蝕特點(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體工藝中以及在微機械加工技術中有著極為廣泛的應用。常用的腐蝕液為HF-HNO3加水或者乙酸系統(tǒng)。腐蝕機理為：首先是硝酸同硅發(fā)生化學反應生成SiO 2，然后有HF將SiO 2溶解。222623HOHHNOSiFHHFHNOSi優(yōu)點：無尖角， 較低應力刻蝕速度快可用光

15、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: Water三、自停止腐蝕技術三、自停止腐蝕技術機理：機理：EPW和和KOH對硅的腐蝕在摻雜濃度小對硅的腐蝕在摻雜濃度小于于1 1019cm-3時基本為常數(shù)，超過該濃時基本為常數(shù)，超過該濃度時，腐蝕速率與摻雜硼濃度的度時，腐蝕速率與摻雜硼濃度的4次方次方成反比，達到一定的濃度時，腐蝕速率成反比，達到一定的濃度時，腐蝕速率很小，甚至可以認為腐蝕很小，甚至可以認為腐蝕“停止停止”。（1） 重摻雜自停止腐蝕(KOH和EDP：51013/cm3)（2）(111)面停止（3） 時間控制

16、（4）P-N結自停止腐蝕（5）電化學自停止腐蝕重摻雜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。利用薄膜自停止腐蝕必須考慮刻蝕選擇性，以及薄膜應力問題，因為應力太大將使薄膜發(fā)生破裂。2 、重摻雜自停止腐蝕技術 KOH對硅的腐蝕在摻雜濃度超過閾值濃N0(約為51019CM-3)時，腐蝕速率很小，輕摻雜與重摻雜硅的腐蝕速率之比高達數(shù)百倍，可以認為KOH溶液對重摻雜硅基本上不腐蝕。高摻雜硼有兩

17、個缺點：與標準的CMOS工藝不兼容導致高應力，使得材料易碎或彎曲重摻雜硼的硅腐蝕自停止效應比重摻雜磷的硅明顯，所以工藝中常采用硼重摻雜硅作為硅腐蝕的自停止材料。重摻雜自停止腐蝕工藝流程3、（111）面自停止腐蝕KOH溶液對（100）和（111）面硅的腐蝕速率差別很大，可高達100400倍，因此可利用（111）面作為停止腐蝕的晶面。（111）面自停止腐蝕工藝流程4、電化學自停止腐蝕電化學自停止腐蝕技術不需要重摻雜層，由于用了外延技術，因此腐蝕自停止層可以做的很厚。腐蝕保護技術腐蝕保護技術如果硅晶片表面已經形成一些圖案，其中部分薄膜會被腐蝕液所影響，所以必須利用腐蝕保護技術來保護已完成的結構。目前

18、常用的保護技術有兩種：一是制作夾具或用膠將整個面保護住；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力問題薄膜應力引起結構破裂的問題，主要分為兩大類：第一類是制造過程的殘留熱應力、高溫淀積后回歸常溫，由于熱膨脹系數(shù)不同所產生的殘留熱應力；這種殘留熱應力可由高溫退火的方式達到一定消除；第二類是薄膜間因膨脹系數(shù)不同造成的殘余應力凸角腐蝕補償凸角腐蝕補償凸角腐蝕是指在硅島或硅梁的腐蝕成型過程中，凸角部分被腐蝕掉的現(xiàn)象，體硅各向異性腐蝕時經常出現(xiàn)，這是因為對(100)晶面的硅片體硅腐蝕時，凸角的邊緣與110方向平行，而腐蝕液對此方向的腐蝕速度較快。若要腐蝕出帶凸角的整齊的臺面結

19、構，必須采取凸角補償。凸角腐蝕補償凸角腐蝕補償重摻雜自停止腐蝕法重摻雜自停止腐蝕法當目標結構的厚度相對較薄時當目標結構的厚度相對較薄時在加工結構前先在硅片上擴散自停止層，深度在加工結構前先在硅片上擴散自停止層，深度達到所需結構厚度，光刻后用干法腐蝕出結構達到所需結構厚度，光刻后用干法腐蝕出結構圖形，然后體硅腐蝕，準確得到設計的結構。圖形，然后體硅腐蝕，準確得到設計的結構。目前比較常見的補償方式（100）面雙方塊凸角腐蝕補償）面雙方塊凸角腐蝕補償（100）面雙方塊凸角腐蝕補償）面雙方塊凸角腐蝕補償（100）面雙方塊凸角腐蝕補償）面雙方塊凸角腐蝕補償濕法腐蝕的缺點：圖形受晶向限制，深寬比較差，傾斜

20、側壁，小結構粘附。四、干法腐蝕狹義的干法刻蝕主要是指利用等離子體放電產生的化學過程對材料表面的加工廣義上的干法刻蝕則還包括除等離子體刻蝕外的其它物理和化學加工方法，例如激光加工、火花放電加工、化學蒸汽加工以及噴粉加工等。干法刻蝕的優(yōu)點：具有分辨率高、各向異性腐蝕能力強、腐蝕的選擇比大、能進行自動化操作等干法刻蝕的過程：腐蝕性氣體離子的產生離子向襯底的傳輸吸附及反應襯底表面的腐蝕鈍化及去除腐蝕反應物的排除干法腐蝕的主要形式：*純化學過程：（等離子體腐蝕 )*純物理過程： (離子刻蝕、離子束腐蝕）*物理化學過程：反應離子腐蝕RIE ，感應耦合等離子體刻蝕ICP.在物理腐蝕方法中，利用放電時所產生的

21、高能惰性氣體離子對材料進行轟擊，腐蝕速率與轟擊粒子的能量、通量密度以及入射角有關；在化學腐蝕中，惰性氣體（如四氟化碳）在高頻或直流電場中受到激發(fā)并分解（如形成氟離子），然后與被腐蝕材料起反應形成揮發(fā)性物質；在物理化學結合的方法中，既有粒子與被腐蝕材料的碰撞，又有惰性氣體與被腐蝕材料的反應。反應離子刻蝕反應離子刻蝕（Reactive ion etch）是在等離子中發(fā)生的。隨著材料表層的“反應剝離排放”周期循環(huán)，材料被逐層刻蝕到制定深度。衡量反應離子刻蝕的指標：掩模的刻蝕比刻蝕的各向異性程度其它：刻蝕速率、刻蝕均勻性等等離子腐蝕利用氣體輝光放電電離和分解穩(wěn)定的原子所形成的離子和活性物質，與被腐蝕的固體材料作用，產生揮發(fā)性的物質或氣態(tài)產品。刻蝕過程主要是化學反應刻蝕，是各向同性的，主要作為表面干法清洗工藝。 離子轟擊的作用： 1.將被刻蝕材料表面的原子鍵破壞； 2.將再淀積于被刻蝕表面的產物或聚合物打掉DRIE、ICP刻蝕工藝刻蝕工藝1.現(xiàn)象現(xiàn)象（1）各向同性腐蝕（2）各向異性腐蝕（3）濺射腐蝕等離子體腐蝕的主要現(xiàn)象和特點 （1）速率高 （2）環(huán)境清潔