MEMS濕法腐蝕工藝和過程

219/219第8章MEMS濕法腐蝕工藝和過程DavidW.Burns摘要：通過光刻膠或硬掩膜窗口進(jìn)行的濕法化學(xué)腐蝕在MEMS器件制造的許多工藝過程中大量存在。本章針對(duì)400多種襯底和淀積薄膜的組合介紹了800多種濕法腐蝕配方,著重介紹了在大學(xué)和工業(yè)界超凈間中常見的實(shí)驗(yàn)室用化學(xué)品。另外給出了600多個(gè)有關(guān)選擇或開發(fā)制造MEMS器件的新配方的文獻(xiàn)。也給出了近40個(gè)內(nèi)部整合的材料和腐蝕特性的圖表，方便讀者迅速尋找和比較這些配方。有關(guān)目標(biāo)材料和腐蝕特性的縮略語為方便比較都進(jìn)行了統(tǒng)一。腐蝕速率和對(duì)其他材料的腐蝕選擇性也給出了。除了重點(diǎn)討論在MEMS領(lǐng)域常用的硅和其他常用材料外，III-V化合物半導(dǎo)體和更新的材料也有涉及。本章討論主題涉及濕法腐蝕原理與過程；整合濕法腐蝕步驟的工藝方法；濕法腐蝕過程的評(píng)估和開發(fā)及側(cè)重安全的設(shè)備和向代工廠轉(zhuǎn)移的預(yù)期；氧化物，氮化物，硅，多晶硅，和鍺各向同性腐蝕；標(biāo)準(zhǔn)金屬腐蝕；非標(biāo)準(zhǔn)絕緣介質(zhì)，半導(dǎo)體和金屬腐蝕；光刻膠去除和硅片清洗步驟；硅化物腐蝕；塑料和聚合物刻蝕；硅各向異性刻腐蝕，體硅和鍺硅自停止腐蝕；電化學(xué)腐蝕和自停止；光助腐蝕和自停止；薄膜自停止腐蝕；犧牲層去除；多孔硅形成；用于失效分析的層顯；缺陷判定；針對(duì)濕法化學(xué)腐蝕的工藝和過程，給出了幾個(gè)實(shí)際的案例。對(duì)器件設(shè)計(jì)人員和工藝研發(fā)人員，本章提供了一個(gè)實(shí)際和有價(jià)值的指導(dǎo)，以選擇或發(fā)展一個(gè)對(duì)許多類型MEMS和集成MEMS器件的腐蝕。D．W．BurnsBurnsEngineering,SanJose,CA,USAe-mail:dwburns@8.1引言很少有微機(jī)械化或集成化的器件是在沒有進(jìn)行一些濕法化學(xué)處理的情況下開發(fā)或制造的。不管器件是否是電氣的，機(jī)械的，電子的，集成的，光學(xué)的，光電子學(xué)的，生物的，聚合的，微流控的傳感器或執(zhí)行器，有關(guān)這些器件的制造工藝或過程的替換決定將對(duì)最終的技術(shù)和商業(yè)成功有重要影響。這些器件通常在硅襯底、化合物半導(dǎo)體、玻璃、石英、陶瓷或塑性材料上制造，可能涉及在這些材料上淀積一層或多層薄膜并光刻和腐蝕。這些層和淀積順序受工藝和用于開發(fā)和制造該器件的工藝單元限制，隨著層數(shù)的增長(zhǎng)變的越來越復(fù)雜和相互影響。濕法腐蝕是使用液態(tài)腐蝕劑系統(tǒng)化的有目的性的移除材料，在光刻掩膜涂覆后（一個(gè)曝光和顯影過的光刻膠）或者一個(gè)硬掩膜（一個(gè)光刻過的抗腐蝕材料）后緊接該步腐蝕。這個(gè)腐蝕步驟之后，通常采用去離子水漂洗和隨后的掩膜材料的移除工藝。濕法腐蝕可替換工藝包括干法刻蝕，即使用一種或多種低壓力的反應(yīng)氣體，采用RF感應(yīng)激勵(lì)后進(jìn)行反應(yīng)，然后再將反應(yīng)生成的氣態(tài)物質(zhì)抽出。非等離子干法刻蝕，例如雙氟化疝或氫氟酸的酸性蒸氣腐蝕，擁有各向同性濕法腐蝕的諸多特性，該腐蝕通常在一個(gè)有限的腔室內(nèi)完成。近乎所有IC,MEMS,MOEMS,MST和NEMS類的器件的產(chǎn)生都很可能與一些濕法腐蝕工藝有關(guān)。整個(gè)工藝流程可被描述為一系列步驟或者序列，這些濕法腐蝕常用于選擇性的去除淀積薄膜的一部分，剝?nèi)ブT如硬掩膜和光刻膠等特定的材料，為以后的加工清洗和準(zhǔn)備襯底，去除犧牲層和部分襯底，以及形成三維結(jié)構(gòu)。一個(gè)濕法腐蝕工序需要考慮如下一些因素，包括有效的腐蝕劑，腐蝕選擇性，腐蝕速率，各向同性腐蝕，材料的兼容性，工藝的兼容性，花費(fèi)，設(shè)備的可用性，操作人員的安全，技術(shù)支持和適當(dāng)?shù)膹U物處理。盡管器件設(shè)計(jì)者，工藝設(shè)計(jì)師，或者制造商在工藝允許的情況下可能偏向使用一個(gè)完整的干法處理流程，但是許多標(biāo)準(zhǔn)的處理步驟例如光刻膠的顯影和圓片清洗仍然濕法的。與干法刻蝕相比，濕法腐蝕工序在成本，速度，性能發(fā)面更有優(yōu)勢(shì)。干法刻蝕的仿真還不可用，如常用的微結(jié)構(gòu)的選擇性鉆蝕或與晶向相關(guān)的腐蝕仿真等。相比濕法腐蝕，人們可能更傾向于選擇干法工藝，在一個(gè)裝備好的工藝線或者如果濕法腐蝕效果不好的情況下尤其如此。不管怎樣，對(duì)濕法加工來說，其優(yōu)點(diǎn)是器件可以在相對(duì)低成本，低勞務(wù)管理費(fèi)用或者低的技術(shù)支持下開發(fā)和制造?？紤]到干法刻蝕要求在一個(gè)昂貴的等離子區(qū)或者RIE腐蝕系統(tǒng)里有長(zhǎng)的腐蝕時(shí)間，濕法腐蝕變得特別有吸引力，需要同時(shí)處理整盒圓片（25片裝圓片盒）或更多的圓片時(shí)，濕法腐蝕在成本和時(shí)間上的效益更突出。不管選擇干法還是濕法加工工藝，總是強(qiáng)烈受到在特定的加工環(huán)境下設(shè)備的可用性及對(duì)開發(fā)者有用的工藝限制。成功的設(shè)計(jì)者，開發(fā)者和制造商幾乎總是使用或修改趁手的工藝。除非是必須開發(fā)新工藝，安裝新設(shè)備，或者取得新的工藝技能，一般總是避免額外的需求。理解什么時(shí)候要應(yīng)用干法和濕法這兩個(gè)工藝并且在可能的情況下使用標(biāo)準(zhǔn)工藝是很重要的。表8.1總結(jié)比較濕法和干法刻蝕之間的一般注意事項(xiàng)。表8.1濕法和干法刻蝕之間一般比較考慮干法刻蝕濕法腐蝕1存在腐蝕高高2腐蝕速率適中，可變高，可變3腐蝕均勻性適中，可變適中，可變4材料選擇性低，可變謹(jǐn)慎選擇下高5圓片產(chǎn)量適中高6掩膜選擇性適中，可變謹(jǐn)慎選擇下高7使用光刻膠掩膜高某些情況下不能用8光刻圖形分辨率高適中9背面襯底暴露低高10腐蝕可靠性高適中；采用自動(dòng)化可改進(jìn)11腐蝕重復(fù)性高適中；采用自動(dòng)化可改進(jìn)12培訓(xùn)和維護(hù)適中低13操作者暴露于化學(xué)品低適中14單位工藝成本適中低15設(shè)備成本高低16設(shè)施成本高低本章開始對(duì)濕法腐蝕的原理及工藝過程等進(jìn)行了概述，然后一節(jié)討論濕法腐蝕設(shè)施和工藝為本地和遠(yuǎn)程用戶服務(wù)的評(píng)價(jià)和開發(fā)應(yīng)用。接下來的兩節(jié)介紹在人工和實(shí)際部門中采用IC兼容材料和非標(biāo)準(zhǔn)材料的濕法腐蝕工藝，IC兼容材料已經(jīng)被集成電路制造商普遍接受，非標(biāo)準(zhǔn)材料可能需要單獨(dú)或?qū)Ｓ迷O(shè)備，設(shè)施，后處理或其他特殊考慮。其他部分包括硅的各向異性腐蝕和腐蝕自停止，采用濕法腐蝕液的犧牲層去除，多孔硅形成，及分層濕法腐蝕和缺陷測(cè)定濕法腐蝕。濕法腐蝕技術(shù)和工藝的進(jìn)一步討論中可以在許多優(yōu)秀的書籍和期刊[1-30]中找到。8.2濕法腐蝕原理和流程架構(gòu)在典型的工藝和制造流程中，半導(dǎo)體和MEMS加工的許多工藝都可歸類為淀積，光刻和腐蝕三類工藝。淀積工藝可能包括某些添加工藝如外延式生長(zhǎng)，電子束蒸發(fā)，濺射，化學(xué)氣相沉積（CVD），低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD），有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法（MOCVD），等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）或者包括其他工藝，如熱氧化或離子注入。光刻工藝一般包括旋涂光刻膠和采用接觸對(duì)準(zhǔn)機(jī)，步進(jìn)機(jī)，或使用規(guī)定的光致抗蝕劑厚度和曝光時(shí)間的電子束光刻機(jī)系統(tǒng)的曝光。尤其在薄膜高度變化大的情況下，光刻膠厚度和曝光時(shí)間可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保獲得足夠的特征線條。腐蝕步驟一般基于等離子體或反應(yīng)離子刻蝕。在干法刻蝕不可用或?qū)σ粋€(gè)特定的腐蝕工藝不恰當(dāng)時(shí)，可以在流程中引入濕法腐蝕。通常是設(shè)計(jì)或開發(fā)一個(gè)MEMS器件時(shí)選擇一個(gè)特定的濕法或干法刻蝕工藝，盡管當(dāng)設(shè)備升級(jí)或轉(zhuǎn)移到另一加工平臺(tái)時(shí)這個(gè)選擇可能被修改。如圖8.1所示，對(duì)MEMS器件來說，已經(jīng)有多種可用的或研制出來的工藝方法，如完全集成或完全定制的工藝，半定制或標(biāo)準(zhǔn)的MEMS工藝，其他已成熟工藝的變種，多個(gè)工藝平臺(tái)上的工藝單元模塊等。完全集成的MEMS流程可基于已建立的CMOS，BiCMOS工藝，或化合物半導(dǎo)體工藝。完全定制的流程一般是一個(gè)專用的工藝，掩膜次數(shù)極少，主要用于原型，最初的生產(chǎn)，或高產(chǎn)量的器件。半定制流程包括面向特定器件的MEMS工藝，該工藝可能位于集成電路工藝之前或之后，也可能是圓片級(jí)也可能是芯片級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)MEMS工藝包括可靠的單層和多層多晶工藝，金屬工藝，SOI或LIGA工藝，以及多用戶和多器件工藝。工藝變種包括對(duì)已定型工藝相對(duì)輕微的調(diào)整，如起始材料的變化，薄膜厚度或腐蝕深度的微小變化，從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的流程中消除無關(guān)光刻步驟。對(duì)于那些愿意將圓片在多個(gè)制造平臺(tái)之間傳遞的人來說，工藝單元模塊可能在一到多個(gè)具有專門加工能力的小工藝平臺(tái)加工。這些平臺(tái)在諸如薄膜沉積，外延生長(zhǎng)或離子注入，光刻和腐蝕，化學(xué)機(jī)械拋光，和后道工藝切割和包裝等方面有專長(zhǎng)。如果需要，完全集成的和標(biāo)準(zhǔn)的MEMS工藝往往提供給用戶選擇任何腐蝕劑的決定權(quán)，因?yàn)檫@些加工工藝在一個(gè)特定的平臺(tái)中已建立并規(guī)范化了。用戶可能不知道或不需要知道這些腐蝕工藝的詳細(xì)信息。一個(gè)完全集成的工藝范例是將集成電路工藝與認(rèn)可的兼容MEMS工藝混合在一起。全定制的MEMS工藝選擇濕法和干法刻蝕工藝最自由，對(duì)于早期的器件開發(fā)，器件只需要幾個(gè)光刻版，非常高產(chǎn)量的器件尤其如此。半定制工藝允許MEMS工藝放在已經(jīng)制造的有源器件（即CMOS）工藝之前，更多放在之后，給開發(fā)人員選擇濕法或干法刻蝕工藝的機(jī)會(huì)，以滿足特定的薄膜刻蝕的要求。工藝變化可包括對(duì)腐蝕步驟進(jìn)行修改，以滿足薄膜腐蝕的要求。工藝單元的用戶在濕法工藝的選擇和使用方面最有發(fā)言權(quán)。圖8.1針對(duì)MEMS器件的工藝方案，包括全集成工藝、對(duì)標(biāo)準(zhǔn)集成電路或MEMS工藝的修改、半定制和全定制工藝、標(biāo)準(zhǔn)（如多器件和多用戶）MEMS工藝及工藝單元。濕法腐蝕工藝可以由所選工藝方案決定，對(duì)適合標(biāo)準(zhǔn)和全集成工藝的器件尤其如此。特殊的濕法腐蝕工藝可能需要選擇工藝參數(shù)、半定制、全定制或工藝單元。許多公司提供代工服務(wù)，代工范圍包括從任何地方單步加工工藝、工藝模塊到成熟的已建立流程。一些較大的代工廠提供MEMS服務(wù)，如有變更，請(qǐng)參考文獻(xiàn)[31]。例如，用戶可能會(huì)提交一個(gè)CAD設(shè)計(jì)到外包服務(wù)，該服務(wù)可以提供對(duì)各種材料的頂部進(jìn)行多層電鍍形成多層金屬結(jié)構(gòu)[32]。通過網(wǎng)上搜索，或與行業(yè)專家和代工廠的代表交流可以找到一些提供工藝單元的代工廠。圖8.2濕法腐蝕選擇和開發(fā)原則包括：確定有效性，顯示出重復(fù)性和可靠性，如果可能采用已有工藝，確保工藝兼容和評(píng)估成本選擇濕腐蝕工藝模塊需要多方面的考慮，其中一些如圖8.2所示。對(duì)特定器件的一般工藝流程開發(fā)之后，腐蝕工藝要進(jìn)行評(píng)估看是否應(yīng)該是濕法或干法刻蝕。濕法腐蝕的第一選擇原則是，基于腐蝕選擇性，腐蝕速率，側(cè)壁上的工藝要求確定候選的腐蝕液或腐蝕工藝的有效性。選擇性必須足夠高以便在對(duì)掩膜材料損傷最小的情況下能刻蝕所想要刻的材料，并且任何暴露出來的要刻蝕材料必須被刻干凈。在可能的情況下，腐蝕速率應(yīng)選擇在2-5分鐘左右完成腐蝕：腐蝕時(shí)間要足夠長(zhǎng)以便將插入圓片和潤(rùn)濕的影響降到最小，時(shí)間又要足夠短，以保持工作流程恰當(dāng)和降低工藝單元成本。專用腐蝕，如犧牲層腐蝕或襯底的各向異性刻蝕，可能需要幾個(gè)小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。選擇濕法腐蝕時(shí)，側(cè)壁可以是一個(gè)重要的考慮因素。濕法腐蝕和干法刻蝕相比，能顯著鉆蝕掩膜圖案。在濕法腐蝕中，精細(xì)線條，如相鄰線和間隔等可能會(huì)完全消失。對(duì)暗場(chǎng)掩膜來說，鉆蝕也會(huì)導(dǎo)致器件特征尺寸變寬，影響設(shè)計(jì)規(guī)則，并在某些情況下限制了芯片尺寸。在某些情況下，一般用濕法腐蝕產(chǎn)生的斜側(cè)壁是有利的，它能允許后續(xù)薄膜沉積和圖案有更好的臺(tái)階覆蓋。濕法腐蝕的第二個(gè)選擇原則是，可證明重復(fù)性，可靠性，濕法腐蝕的魯棒性。舉例來說，一個(gè)挑剔的腐蝕工藝要求操作者特別關(guān)注，甚至輕微的腐蝕變化就可以毀掉整個(gè)工藝。一個(gè)良好的濕法腐蝕工藝必須有過腐蝕的能力，允許5-15％或以上的過腐蝕余量，同時(shí)對(duì)器件性能和產(chǎn)量的影響微乎其微。一個(gè)理想的濕法腐蝕有自停止特性的過腐蝕能力，對(duì)其他暴露材料有近無限的選擇性。腐蝕工藝的一個(gè)更有利的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)操作者控制的腐蝕有一個(gè)可見的腐蝕終止點(diǎn)和能在線驗(yàn)證被腐蝕薄膜或底膜的薄膜厚度，這確保了所選材料在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)徹底被腐蝕掉。濕法腐蝕通常對(duì)腐蝕溫度，腐蝕液濃度，以前的使用量，腐蝕劑年齡，腐蝕劑的蒸發(fā)或在腐蝕液中的稀釋，腐蝕劑要腐蝕的晶圓數(shù)量、包括基板背面的暴露面積的百分比，特征尺寸，薄膜的成分，薄膜形貌，退火歷史，表面污染，表面殘留物，孵化時(shí)間，攪拌，室內(nèi)照明，對(duì)每一個(gè)可靠的腐蝕工藝控制的認(rèn)真態(tài)度等都敏感。如果腐蝕太慢；對(duì)其他掩膜材料和襯底的選擇性不足；缺乏均勻性;針對(duì)后續(xù)襯底加工存在污染問題;產(chǎn)生不想要的化合物；殘留物，或蝕點(diǎn)；引起裂縫，腫脹，脫皮，或掩膜層的過度鉆蝕；或需要笨重的存儲(chǔ)，處理，處置，安全和設(shè)施考慮，可以考慮取消用該腐蝕液。雖然濕法腐蝕可能提供比干法刻蝕更高的對(duì)掩膜材料的選擇性，但他們也可能對(duì)膜的組成和退火更敏感。濕法腐蝕的第三個(gè)選擇原則是盡可能地使用現(xiàn)有的工藝。加工中心一般都會(huì)有某些材料(如二氧化硅)和金屬(如鋁)的濕法腐蝕能力，針對(duì)所要的薄膜厚度，可以根據(jù)需要適當(dāng)修改工藝參數(shù)。對(duì)特定的工藝如襯底的各向異性腐蝕可能有專用的腐蝕槽位。對(duì)某些特殊的腐蝕要求，如廣泛使用的犧牲層腐蝕，聰明的做法是修改現(xiàn)有工藝和設(shè)備，只需實(shí)現(xiàn)所需的腐蝕特性。那些已經(jīng)開發(fā)出專用腐蝕液以制造某個(gè)器件的人員知道要進(jìn)行開發(fā)，特性檢測(cè)和規(guī)范化專用腐蝕液需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。濕法腐蝕的第四個(gè)選擇原則是確保與器件加工及要開發(fā)器件的加工中心的其他方面的兼容性。通過圓片傳遞路徑或公共承片臺(tái)和腐蝕槽的圓片操作可能產(chǎn)生的和其他器件，設(shè)備和工藝的交叉污染將對(duì)其他器件產(chǎn)生不期望的損害。開發(fā)人員需要確保在一個(gè)特定的器件工藝流程中后續(xù)工藝是兼容的，要考慮后續(xù)淀積工藝的臺(tái)階覆蓋和光刻膠旋涂，易碎器件的操作，切片要求和封裝需求。在考慮到上述濕法腐蝕選擇的原則之后如存在多個(gè)選項(xiàng)，下一步就是要考慮開發(fā)，制造和技術(shù)轉(zhuǎn)讓，設(shè)備和設(shè)施的維護(hù)，與地面空間的高度，工藝控制，和供應(yīng)相關(guān)的所有成本。使用現(xiàn)有的設(shè)施內(nèi)的已有工藝的成本一般最低，因?yàn)楝F(xiàn)有工藝腐蝕費(fèi)用通常是最合理的，不需要花費(fèi)額外的資本或開發(fā)努力。那些已經(jīng)開發(fā)或正在開發(fā)的半導(dǎo)體或MEMS器件的人認(rèn)識(shí)到加工工序和器件設(shè)計(jì)之間需要廣泛的互動(dòng)。如果腐蝕工序不能進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到預(yù)期的效果，針對(duì)整個(gè)工藝方案的的調(diào)整可能會(huì)有所幫助。另外，器件設(shè)計(jì)可以經(jīng)常進(jìn)行調(diào)整，以容納腐蝕或其他工藝過程的不當(dāng)限制。8.2.1表面反應(yīng)和反應(yīng)物/副產(chǎn)品傳輸腐蝕系統(tǒng)通常由腐蝕燒杯或大小足以垂直地容納一個(gè)或多個(gè)圓片的水槽組成，在一個(gè)腐蝕周期中圓片完全浸在腐蝕液中，如圖8.3所示。可包括加熱器，熱電偶和攪拌器。水槽往往有用于維持酸/堿中和系統(tǒng)的排水管，一個(gè)專用的氫氟酸收集系統(tǒng)，或溶劑收集箱。腐蝕液可用外部的化學(xué)品儲(chǔ)存設(shè)施從腐蝕瓶或永久安裝的輸送系統(tǒng)倒入水槽。對(duì)所用的腐蝕液而言腐蝕槽和液體分布系統(tǒng)是由惰性材料構(gòu)成的，如全氟烷基（PFA），阻燃聚丙烯（PP），高密度聚乙烯（HDPE），聚四氟乙烯（PTFE或Teflon[特氟龍]），模壓聚偏二氟乙烯（PVDF），或石英[27，33]等。不銹鋼腐蝕槽偶爾也適用于溶劑，有時(shí)也適用于氫氧化鉀的腐蝕劑。PFA腐蝕槽和支架可用于氫氧化鉀腐蝕。為了安全和溢出控制，腐蝕槽可放置在另一個(gè)水箱或水槽內(nèi)。為了保護(hù)操作者，水箱及水槽通常要用安裝在濕法工作臺(tái)上的防濺出的架空廢液收集裝置連接。圖8.3腐蝕槽(a)用于存放腐蝕液，經(jīng)常有一個(gè)加熱器，熱電偶，攪拌器和用于排出腐蝕劑的閥門。一個(gè)單獨(dú)的漂洗槽(b)允許在晶圓旋轉(zhuǎn)或吹干燥前用去離子水充分地沖洗晶圓。一個(gè)專用的支架或放有包含碳纖維，聚丙烯，全氟烷基，聚四氟乙烯或Teflon[特氟龍]，聚偏氟乙烯，或石英的PEEK的暗盒（未畫出），在腐蝕和沖洗過程中可用于晶圓傳輸。濕法工作臺(tái)上可能有定時(shí)器，燈和風(fēng)扇開關(guān)，加熱控制器，報(bào)警系統(tǒng)，和一個(gè)或多個(gè)專用的腐蝕清洗池和漂洗槽。漂洗槽也有類似的構(gòu)造而且有豐富的去離子水噴霧或泡沫噴灑在晶圓上，稀釋和去除晶圓上的腐蝕液。漂洗池在水箱底部可能會(huì)有下拉門用來在多個(gè)傾倒沖洗周期中迅速排出漂洗水。一些腐蝕工序要求晶圓腐蝕和漂洗要在同一個(gè)池中（即稀釋沖洗），然而晶圓從腐蝕池到?jīng)_洗池一般都是通過手動(dòng)或自動(dòng)臂來運(yùn)送的。晶圓支架或暗盒還必須對(duì)腐蝕劑沒作用而且通常專用于特定的濕法工作臺(tái)或腐蝕工藝以避免交叉污染的可能性。液體腐蝕工藝的通用模型如圖8.4所示。當(dāng)在腐蝕液中的反應(yīng)物與被腐蝕材料暴露在外的表面化學(xué)反應(yīng)時(shí)發(fā)生腐蝕，同時(shí)伴隨著又重新溶解到腐蝕液中或以氣體形式釋放的副產(chǎn)品。腐蝕速率受在腐蝕液中反應(yīng)物的濃度，擴(kuò)散到裸露表面的反應(yīng)物的局部運(yùn)輸，腐蝕液和正在刻蝕的材料之間的分界面的反應(yīng)速率，表面上的反應(yīng)產(chǎn)物的去除率及在刻蝕池內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)物的濃度等多方面影響。在液固界面的反應(yīng)更是出奇地復(fù)雜。腐蝕可能涉及一個(gè)復(fù)合的氧化還原反應(yīng)，先產(chǎn)生正在被腐蝕的材料的氧化物質(zhì)，然后被腐蝕掉讓新鮮的材料暴露，該過程連續(xù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)腐蝕。二次效應(yīng)可能發(fā)生，有時(shí)甚至占據(jù)主導(dǎo)地位，如從一個(gè)高深寬比特征的界面或從非潤(rùn)濕掩膜材料上產(chǎn)生的水蒸氣壁壘。不需要的副產(chǎn)品，如鹽殘余物或在刻蝕表面形成的其他固體構(gòu)成物，能產(chǎn)生腐蝕壁壘，這些壁壘減緩甚至能停止腐蝕。當(dāng)氣泡一直黏著在表面時(shí)，氣體的局部演化能產(chǎn)生一個(gè)減緩腐蝕速率的微掩膜效應(yīng)，從而導(dǎo)致形成粗糙的表面和可能的小丘形狀的構(gòu)成物。當(dāng)晶圓部分清洗，然后重新插進(jìn)伴有不充分的攪拌的腐蝕池中時(shí)，疏忽，局部腐蝕速率減少等可能會(huì)出現(xiàn)帶有粘性或低溶解度的腐蝕劑。為了達(dá)到增強(qiáng)腐蝕速率的目的，往往通過：增加反應(yīng)物的濃度，在高溫下進(jìn)行腐蝕，使用攪拌器以協(xié)助腐蝕流，改變腐蝕池來得到新的腐蝕液和排出累積的副產(chǎn)品，并盡量減少可能發(fā)生直接接觸晶圓的支架或接近另一個(gè)晶圓的腐蝕障礙物。一般模型的速率限制方法通常需要確定增強(qiáng)哪項(xiàng)最具影響。盡管通過精心挑選的腐蝕劑和腐蝕劑濃度而得到適度的腐蝕速率，并在室溫下腐蝕往往最方便和最安全，但增加腐蝕液的溫度通常會(huì)導(dǎo)致更快的腐蝕。幾乎所有的濕法腐蝕，包括各向異性腐蝕，當(dāng)使用覆光刻膠或有圖案特征的硬掩膜層時(shí)都存在某鐘程度的鉆蝕。一個(gè)理想的刻蝕，最好實(shí)現(xiàn)方法是干法刻蝕而不是濕法腐蝕，可以把光刻圖形特征轉(zhuǎn)換成具有較高的保真度和最小的特征失真的腐蝕層。濕法腐蝕由于其固有的腐蝕任何暴露的表面的特性，在底部會(huì)以相似的速率腐蝕側(cè)壁。各向同性腐蝕產(chǎn)生一個(gè)橫向的鉆蝕距離，大小和腐蝕深度相同，這將產(chǎn)生一個(gè)如圖8.4所示的有著大約與左手邊的側(cè)向圖的刻蝕深度相等的曲線。鉆蝕可以通過設(shè)計(jì)補(bǔ)償掩膜或電子束直寫工具上的相應(yīng)功能的寬度調(diào)整的方式來得到補(bǔ)償。鉆蝕問題可以采用具有更垂直和最小橫向刻蝕速率的干法刻蝕來代替濕法以減小對(duì)精細(xì)線條特征的影響。用各向異性材料或各向異性腐蝕劑，側(cè)壁輪廓變得更加棱角分明。對(duì)于各向同性的情況下，當(dāng)腐蝕劑腐蝕到底層的腐蝕停止層時(shí)，腐蝕劑會(huì)有很少的局部消耗而且橫向腐蝕變得更迅速，這往往能得到平整的側(cè)壁。圖8.4通過掩膜層腐蝕到底層腐蝕停止層的液體傳輸機(jī)制示意圖。腐蝕劑中提供的反應(yīng)物與暴露部分的被刻蝕層不均勻地反應(yīng)，導(dǎo)致該被刻蝕層產(chǎn)生一個(gè)或更多重新溶解在腐蝕液中或以氣體形式釋放的副產(chǎn)品。不足的反應(yīng)物或副產(chǎn)品的過度集中會(huì)不規(guī)則地減緩腐蝕，尤其是緊湊的幾何結(jié)構(gòu)更明顯。對(duì)大多數(shù)薄膜和非晶材料，反應(yīng)是各向同性的，從上表面看顯示出圓角，從側(cè)面?zhèn)缺诳吹母g剖面顯示圓形腐蝕坑。當(dāng)腐蝕到底部的腐蝕停止層，反應(yīng)物消耗減小，橫向腐蝕加快，造成一個(gè)更加棱角分明，更平坦的側(cè)壁。具有高內(nèi)應(yīng)力的掩膜層或在上表面具有偏離形貌的腐蝕層將使掩膜層和腐蝕層之間的界面處腐蝕明顯加快，這將有效地加快鉆蝕。掩膜層的缺陷可能會(huì)導(dǎo)致不必要的局部腐蝕。圖示為暗視場(chǎng)的掩膜層；盡管腐蝕的材料的量通常更大，亮場(chǎng)掩膜層也會(huì)發(fā)生類似的影響和現(xiàn)象。其他現(xiàn)象如高張應(yīng)力掩膜層可能造成在圖形開口附近的掩膜層有輕微的分離，這將導(dǎo)致在刻蝕過程中掩膜層會(huì)有輕微的剝落。這種剝落會(huì)加速分界面處的鉆蝕和產(chǎn)生如圖8.4中心附近的所示淺角度側(cè)面形貌。當(dāng)長(zhǎng)寬比（相對(duì)掩膜厚度的鉆蝕距離）增加時(shí)，壓應(yīng)力掩膜也可能會(huì)通過機(jī)械屈曲產(chǎn)生抬升，這進(jìn)一步增加了腐蝕速率。橫向腐蝕速率可以通過修改腐蝕層的特征的方式加速，如降低薄膜的頂部或底部的密度，在頂表面附近產(chǎn)生的高的缺陷密度，或局部注射高濃度的雜質(zhì)。在腐蝕較深或在需要廣泛的橫向腐蝕的情況下，腐蝕劑可能局部受約束和耗盡，從而減少局部的刻蝕速率。掩膜層的缺陷，如小顆粒，可使腐蝕劑沿顆粒蔓延或通過一個(gè)開放的掩膜缺陷明顯的移動(dòng)來不明顯地刻蝕底層材料，示意圖如圖8.4右側(cè)所示。8.2.2腐蝕劑的選擇性和掩膜考慮對(duì)濕法腐蝕工藝的選擇和評(píng)估的一個(gè)主要考慮是腐蝕的選擇性，選擇性定義為要腐蝕材料的腐蝕速率與掩膜或底層材料的腐蝕速率的比值。雖然可以證明選擇比低至1或更小也可用于薄膜腐蝕，但100或更高的腐蝕選擇比是更可取的。盡管由于底層材料在過腐蝕階段通常只暴露在溶液中很短的時(shí)間而很少關(guān)注，在腐蝕過程中針對(duì)停止層或其他暴露層的腐蝕選擇性也可能有其重要性。正如在圖8.5的圖示中描繪的那樣，更高的腐蝕選擇性，通常允許更薄的掩膜層，更深的腐蝕，更薄的腐蝕停止層，以及更好的過腐蝕能力。腐蝕劑的選擇也許要通過掩膜層來決定，反之亦然。掩膜層阻止腐蝕劑到達(dá)覆蓋過的表面而且必須在刻蝕的過程中保持住。厚的掩膜層可以增加可實(shí)現(xiàn)的刻蝕深度。掩膜層在刻蝕過程中也可能產(chǎn)生一定程度的橫向腐蝕。這種掩膜圖形的變化可以通過掩護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)亮場(chǎng)或暗場(chǎng)掩膜圖形自動(dòng)添加或減去一個(gè)合適的數(shù)額來補(bǔ)償。隨著時(shí)間的推移，濕法腐蝕劑可能會(huì)吸收到掩蔽層中，使其膨脹，開裂，或可能的抬升，從而在意想不到的區(qū)域暴露刻蝕層。必須注意襯底背面的薄膜的狀態(tài)，因?yàn)檫@部分以及襯底的邊沿一般都直接暴露在腐蝕劑中。通過將光刻膠涂在背面，在背面放置抗腐蝕保護(hù)層或使用在腐蝕過程中能限制背面暴露的專用裝置來提供額外的保護(hù)。圖8.5隨著相比掩膜層或腐蝕停止層的腐蝕液的選擇比增加，掩膜厚度可以更薄，可實(shí)現(xiàn)的刻蝕可更深，刻蝕停止層可更薄，而且過腐蝕可更長(zhǎng)如圖8.6所示，在恰當(dāng)?shù)倪x擇抗腐蝕掩膜層時(shí)需要考慮許多因素。主要考慮是現(xiàn)有的或標(biāo)準(zhǔn)的工藝對(duì)器件來說是否適當(dāng)。由于建立一個(gè)新的腐蝕工序需要考慮成本和時(shí)間，最好的辦法通常是采用基于光刻膠的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕工藝，該工藝可能包括如下步驟：旋轉(zhuǎn)，預(yù)烘，曝光，顯影，后烘，腐蝕，沖洗，干燥和去膠?；镜墓饪棠z工藝一般都是集成電路兼容的，具有很少的污染風(fēng)險(xiǎn)，提供更好的分辨率，相比于那些可能使用初始光刻膠圖案和腐蝕工藝形成硬掩膜功能的硬膜工藝來說，有更好的特征尺寸控制。光刻膠掩蔽工藝，一旦在加工中心裝備，將降低開發(fā)一個(gè)新的腐蝕劑的成本。一般光刻膠工藝提供更低的工藝單元成本，包含較少的工藝步驟，整個(gè)工藝時(shí)間較短，在大多數(shù)情況下提供更好的臺(tái)階覆蓋，而且在晶圓上旋涂比在晶圓上淀積薄膜來作為硬掩膜層更快。圖8.6使用硬掩膜或光刻膠掩膜的考慮和結(jié)果表明：除了需要較高的抗腐蝕能力，更深的腐蝕，或襯底背面保護(hù)之外，光刻膠掩膜是一般的選擇在需要的時(shí)候光刻膠工藝往往可以按MEMS器件的要求進(jìn)行修改。例如，可以用更厚的光刻膠簡(jiǎn)單的通過放緩旋轉(zhuǎn)速度或選擇不同的具有較高的粘度和固體含量的光刻膠的方式來改善臺(tái)階覆蓋。有時(shí)通過增大后烘時(shí)間或?qū)ω?fù)性光刻膠加強(qiáng)UV曝光等方法增強(qiáng)光刻膠掩膜的抗腐蝕特性。在小心的處理和對(duì)工藝流程的考慮之后，光刻膠可能會(huì)在晶圓的背面旋涂來提供任何必要的掩蔽或背面保護(hù)。類似的，背面光刻工藝一樣可以通過對(duì)晶圓正面旋涂光刻膠來提供腐蝕保護(hù)和腐蝕期間正面的防劃傷保護(hù)。8.2.3直接腐蝕和剝離技術(shù)當(dāng)一些難以腐蝕的材料，如貴金屬或幾種金屬層需要光刻的時(shí)候可能需要?jiǎng)冸x技術(shù)，此時(shí)直接腐蝕是不合適的。剝離技術(shù)是首先在襯底基板上形成一個(gè)光刻后的光刻膠層，然后在該圖案層直接用諸如電子束蒸發(fā)沉積阻擋層金屬，而不是在已經(jīng)沉積阻擋層金屬的圓片上旋涂和光刻光刻膠，再直接腐蝕（見圖8.7）。用某些特定方法剝離光刻膠，例如在裝有溶劑的超聲波槽中，通過超聲振動(dòng)，所選材料與襯底接觸的地方保留，其余在光刻膠上的浮離或通過沖洗，刷，吹等或從襯底除去。由于在剝離前薄的沉積材料在光刻膠側(cè)壁存在，導(dǎo)致剝離過程中可能會(huì)出現(xiàn)邊緣鋸齒狀。改進(jìn)的的剝離技術(shù)使用一種相對(duì)較薄的兩層抗蝕劑系統(tǒng)，上層的光刻膠抗抗顯影能力強(qiáng)些，下層抗抗顯影能力弱些。當(dāng)光刻膠系統(tǒng)曝光及顯影，小的懸浮物出現(xiàn)在下層上方，這將使后續(xù)的濺射或電子束沉積薄膜變窄。請(qǐng)注意，對(duì)剝離工藝來說，光刻膠圖案是反轉(zhuǎn)的（即用于直接腐蝕正確的亮場(chǎng)掩膜，在剝離工藝中需要暗場(chǎng)）或采用負(fù)性光刻膠。另外，在精心挑選薄膜疊層后也可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的剝離技術(shù)。圖8.7對(duì)某些材料，剝離技術(shù)可以替代直接腐蝕，因?yàn)檫@些材料難以腐蝕或者腐蝕劑對(duì)其他暴露的材料沒有足夠的選擇性。傳統(tǒng)的腐蝕，如（a）是直接腐蝕暴露的材料，留下未腐蝕的掩膜材料。一般剝離工藝是將需要被去除的材料放置在形成組成圖案的光刻膠頂部并且一起置于襯底上方，如圖（b）所示，底下的光刻膠溶解后就不需要直接腐蝕材料了。在光刻膠側(cè)壁或剝離層上的沉積材料已證明難以清除干凈，并可能導(dǎo)致不必要的細(xì)線和微粒。在（c）圖中，增強(qiáng)的剝離工藝有一個(gè)復(fù)合的光刻膠層，其中上方薄光刻膠比下層光刻膠對(duì)顯影劑更抗蝕，這樣，產(chǎn)生了一個(gè)懸浮邊界以盡量減少側(cè)壁沉積和提高腐蝕的穩(wěn)定性。8.2.4犧牲層去除對(duì)于直接濕法腐蝕或干法刻蝕來講，犧牲層腐蝕是一種特殊的挑戰(zhàn)。犧牲層置于結(jié)構(gòu)層下方，其特征諸如錨區(qū)開孔，凹陷，側(cè)壁剖面，薄膜厚度和通過薄膜一步步疊加構(gòu)造結(jié)構(gòu)層。選擇性地去除犧牲層一般通過使用液體腐蝕劑進(jìn)行大范圍的橫向鉆蝕，并留下部分或更多的獨(dú)立的不需要依靠支撐物的部分而完成。犧牲層腐蝕劑對(duì)結(jié)構(gòu)層和其他裸露、需要長(zhǎng)時(shí)間犧牲腐蝕的材料來講必須具有極高的選擇性。缺乏合適的選擇性腐蝕劑將限制可達(dá)到的鉆蝕距離并且會(huì)限制用于結(jié)構(gòu)層的材料選擇。成功的犧牲腐蝕工藝一般有高過腐蝕能力，使操作者確保能完整去除犧牲層，并使設(shè)計(jì)師能將短鉆蝕時(shí)間和長(zhǎng)鉆蝕時(shí)間結(jié)構(gòu)應(yīng)用在同一個(gè)器件上。犧牲層去除通常在相對(duì)短的向下刻蝕后開始大量的橫向鉆蝕。橫向腐蝕通常在平面內(nèi)所有的方向各向同性。如8.1節(jié)所述，腐蝕劑會(huì)因反應(yīng)物不足而報(bào)廢或?qū)υS多要腐蝕產(chǎn)品有害，同時(shí)也會(huì)減少本來的腐蝕速率。應(yīng)該放置專門設(shè)計(jì)的幾何圖形以便使所有部分結(jié)構(gòu)在幾乎相同的時(shí)間釋放；然而，即使鉆蝕時(shí)間有很大不同，一個(gè)強(qiáng)有力的腐蝕劑，犧牲層和結(jié)構(gòu)層組合要保證結(jié)構(gòu)形成中的保真度。在腐蝕過程中，錨定的形狀需要保持固定，犧牲層腐蝕劑不能使結(jié)構(gòu)層從基片分離。腐蝕完成后，很容易檢查的測(cè)試結(jié)構(gòu)或器件的功能可以驗(yàn)證腐蝕過程。用于增強(qiáng)犧牲層腐蝕工藝的性能的方法已能得到加強(qiáng)。例如，對(duì)結(jié)構(gòu)層腐蝕孔設(shè)計(jì)規(guī)則的仔細(xì)選擇和遵守允許使腐蝕液可以局部接觸犧牲層，減少了徹底釋放犧牲層所需的時(shí)間。可以選擇合適的犧牲層以增加腐蝕速率，如快速腐蝕雙層結(jié)構(gòu)，在熱氧化層上重?fù)诫s淀積的氧化層等。一般的濕法腐蝕特別是犧牲層腐蝕需要考慮晶圓背面以便任何沉積的薄膜保持不變，不要在犧牲腐蝕過程中剝落。8.2.5襯底減薄荷去除濕法腐蝕常用于減薄或選擇性去除襯底材料（圖8.8），主要原因是濕法腐蝕可以大量腐蝕材料，液體腐蝕溶液中濃度很高的反應(yīng)物遠(yuǎn)比低壓等離子刻蝕系統(tǒng)中的反應(yīng)物多。均勻的襯底去除和減薄一般由帶有化學(xué)腐蝕液的物理研磨機(jī)制實(shí)現(xiàn)，即化學(xué)機(jī)械過程快速地去除圓片正面或背面的材料。掩膜圖案，如孔，通孔，溝槽，通道和各向異性腐蝕的薄膜等。圓片減薄或襯底腐蝕通常安排在工藝流程的最后，因?yàn)閳A片隨著減薄越來越易碎，并且嵌入的成本越來越高。圖8.8濕法化學(xué)腐蝕能用于（a）減薄，（b）從背面選擇性腐蝕，或（c）從正面選擇性腐蝕。化學(xué)機(jī)械拋光或平整化（CMP）將化學(xué)腐蝕和機(jī)械研磨結(jié)合在一起均勻地減薄背面或平整化正面。各向異性腐蝕的薄膜的掩膜圖形，圓片通孔和過孔，或頂部的槽或通道需要合適的腐蝕掩膜，可能是濕法腐蝕也可能是干法刻蝕。圓片變得越來越易碎，在后續(xù)的操作或切割芯片時(shí)要特別小心。8.2.6工藝方案的影響濕法腐蝕類型的選擇對(duì)工藝方案有直接的影響。正如圖8.9所示，工藝流程一般總結(jié)成一系列的光刻次序，每一個(gè)包含一個(gè)淀積步，一個(gè)光刻步，和一個(gè)腐蝕步驟。盡管淀積步清晰地由濺射、電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相淀積、或等離子淀積薄膜組成，但熱氧化、離子注入或起始材料的獲取也包含在此類中。采用光刻版的光刻膠光刻或直寫設(shè)備對(duì)大部分不管是干法還是濕法腐蝕工藝提供了合適的掩膜。盡管硬掩膜也是用光刻膠光刻工藝制作的，但其可以根據(jù)需要獲得更好的抗腐蝕能力。在認(rèn)真審核所選的腐蝕工藝的順序和類型時(shí)，必須考慮到每一次光刻序列要確保在工藝的早期不要包含非標(biāo)準(zhǔn)材料；避免那些來自腐蝕槽、承片夾或腐蝕液本身的污染；僅在關(guān)鍵的加工工藝完成后才使用受限制的通風(fēng)柜或其他濕法腐蝕裝置；掩膜材料限定在光刻膠、標(biāo)準(zhǔn)氧化層、多晶硅和用作硬掩膜的金屬層；當(dāng)污染必須考慮時(shí)，結(jié)構(gòu)層限定在標(biāo)準(zhǔn)材料；腐蝕完成后掩膜材料要容易去除；所選薄膜厚度必須與后續(xù)加工工藝包括光刻膠覆蓋等兼容；薄膜腐蝕掉后的臺(tái)階覆蓋處不能有殘留的細(xì)條或顆粒；不能在總流程中太早產(chǎn)生易碎結(jié)構(gòu)導(dǎo)致圓片操作困難。所有這些說明，聰明的器件設(shè)計(jì)者和工藝工程師經(jīng)常共同工作，在實(shí)現(xiàn)有成本效益的且技術(shù)可行的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品目標(biāo)方面找到平衡。圖8.9除有例外，適用于集成電路，微/納機(jī)電系統(tǒng)，或集成微/納機(jī)電系統(tǒng)器件的流程可以簡(jiǎn)化成一系列的掩膜光刻序列，每個(gè)序列包含沉積步驟，光刻步驟，和腐蝕步驟。復(fù)雜的CMOS和BiCMOS工藝可能有兩打或更多掩膜序列，然而許多僅針對(duì)微機(jī)械的工藝系統(tǒng)流程掩膜數(shù)少于五。每個(gè)掩膜光刻序列受前序列影響，并影響到后續(xù)的序列。每個(gè)序列的順序和選擇往往是器件設(shè)計(jì)的一部分。為了達(dá)到預(yù)期的效果，流程步驟或設(shè)計(jì)可以調(diào)整。腐蝕序列和其相關(guān)的掩膜層和材料層的執(zhí)行順序的選擇必須考慮許多問題，包括污染，薄膜厚度局限性，正面和背面加工要求，和襯底操作等。8.2.7濕法腐蝕工藝的開發(fā)當(dāng)考慮一個(gè)新的濕法腐蝕工藝的開發(fā)時(shí)：如果有可能則盡量避免這樣做。一個(gè)新的腐蝕工藝可能涉及建立新的設(shè)施，安裝新設(shè)備，設(shè)立新的化學(xué)處理和安全規(guī)程，獲得購買準(zhǔn)證，決定化學(xué)品貯存和廢棄處理，建立培訓(xùn)章程，執(zhí)行操作人員的培訓(xùn)，提供系統(tǒng)維護(hù)，對(duì)某些昂貴的圓片有時(shí)要花大量的測(cè)試時(shí)間。修改一個(gè)現(xiàn)有的腐蝕工藝，或最好直接利用現(xiàn)有的腐蝕工藝，是一個(gè)高度推薦的替代方案。在許多已建立的實(shí)驗(yàn)室或加工中心，擁有大量基于光刻膠和硬掩膜的工藝與材料是可以被使用或修改的。硬掩膜有時(shí)是必要的，然而，盡可能使用光刻膠掩模是最好的考慮方案。如果需要一個(gè)新的腐蝕液或需要修改一個(gè)現(xiàn)有的濕法腐蝕工藝，有關(guān)腐蝕工藝和安全考慮的指導(dǎo)準(zhǔn)則可從各種信息源頭獲得，這些信息源包括手冊(cè)，用戶指導(dǎo)，設(shè)備手冊(cè)，制造商的推薦，腐蝕劑供應(yīng)商，光刻膠制造商，網(wǎng)絡(luò)，大學(xué)網(wǎng)站，出版物，和從有經(jīng)驗(yàn)的用戶或工藝專家得到的專業(yè)知識(shí)等。為了建立擁有合適的服務(wù)、充足的通風(fēng)、適當(dāng)?shù)膹U棄物處理和受控應(yīng)用的腐蝕實(shí)施，大量的努力是必須的。在加工中心可能需要幾個(gè)腐蝕操作臺(tái)，以適應(yīng)不同用戶和不同工序流程的需求。這個(gè)加工中心應(yīng)提供護(hù)目鏡，口罩，圍裙，在泄漏情況下裝備安全程序和化學(xué)品處理的泄漏車。無塵化學(xué)處理工作臺(tái)上配備合適的燒杯，大容器，支架和片盒等用于控制污染的專用實(shí)驗(yàn)室器皿。盡管其他材料也可以充當(dāng)室溫下的腐蝕液裝載物，PFA（可溶性聚四氟乙烯）、PTFE（聚四氟乙烯）或石英制實(shí)驗(yàn)室器皿一般都是最好的選擇。雖然希望在室溫下開展腐蝕加工，但也可在加熱的容器中或在電熱板上的燒杯中的開展腐蝕工藝。濕法腐蝕工藝的開發(fā)一般需要消耗大量的晶圓去獲得腐蝕材料層和潛在掩膜層的腐蝕速率，以確定在大量晶圓中對(duì)其他材料的選擇性，并開展對(duì)腐蝕濃度的變化，溶液的溫度，和其他變量的敏感性研究。相比溶液，濕法腐蝕液需要的沖洗量可能需要考核定型。一個(gè)流程的傳遞文稿和操作程序應(yīng)當(dāng)被定稿和存檔。濕法腐蝕的光敏特性應(yīng)受到檢查，可能需要在一個(gè)有蓋容器中操作?？赡苄枰m當(dāng)攪拌以提高腐蝕均勻性。充分去除光刻膠和硬掩膜的工藝必須得到驗(yàn)證。如表8.2所列，各種測(cè)試設(shè)備可以輔助濕法腐蝕的開發(fā)和監(jiān)測(cè)。雖然人類裸眼一般不適合鑒別微小光刻圖形之間的薄膜是否腐蝕干凈，但訓(xùn)練過的裸眼可以有效地看到許多類似閃亮的金屬薄膜的腐蝕是否完成。通過臨時(shí)取出腐蝕液中的晶圓，操作者可以簡(jiǎn)單地看到在晶圓的正面或背面大量明顯的特征，觀察到在晶圓上的干涉條紋、顏色或光澤變化，以確定腐蝕是否完成。臨時(shí)取出腐蝕的晶圓可觀察到疏水性的變化。然而，過于頻繁地取出晶圓檢查可能會(huì)減緩腐蝕，并在某些情況下由于晶圓被暴露在空氣中時(shí)可能出現(xiàn)的表面反應(yīng)導(dǎo)致腐蝕停止。表8.2用于濕法腐蝕工藝開發(fā)的測(cè)試設(shè)備設(shè)備優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)1肉眼在腐蝕期間可快速檢測(cè)使腐蝕減慢沒有中間的清洗和干燥步驟許多薄膜不適用允許腐蝕延續(xù)很難區(qū)分不完全腐蝕的進(jìn)展提供即時(shí)驗(yàn)證需要更大面積的特征進(jìn)行檢查從腐蝕干凈開始可以計(jì)時(shí)過刻需要手工操作采用測(cè)試片驗(yàn)證好難以觀測(cè)小圖案2顯微鏡容易使用每次檢查前需要清洗和干燥金屬薄膜和高視覺對(duì)比薄膜檢查效果好透明薄膜是難以評(píng)估可以檢測(cè)小的圖案難以檢查非常精細(xì)的圖案3帶有深度測(cè)量的顯微鏡深腐蝕檢測(cè)效果好視場(chǎng)深度限制導(dǎo)致有限的分辨率大多數(shù)顯微鏡可以升級(jí)不適用于透明層4橢偏儀非接觸式難以檢測(cè)小的圖形提供的折射率和厚度不適合金屬薄膜以及多層膜的適用性有限5光學(xué)薄膜厚度光譜反射計(jì)非接觸式檢查前需要清洗和干燥可重復(fù)的定量度量不適合金屬薄膜適用于結(jié)構(gòu)測(cè)試多層膜的適用性有限提供的折射率和厚度6光學(xué)干涉測(cè)量的表面形貌儀非接觸式檢查前需要清洗和干燥寬范圍的3-D臺(tái)階高度不適合透明薄膜適用于測(cè)試結(jié)構(gòu)7機(jī)械表面輪廓儀相對(duì)較低的成本由于探針接觸，污染問題需要重視使用光刻圖形要求光刻出圖案8深度計(jì)，機(jī)械式低成本中等精度可回零到晶片參考面需要大的圖形尺寸9掃描電鏡高分辨率需要晶圓碎片或斷面特征破壞性10FIB/掃描電鏡精度高要求光刻圖形原位斷面檢測(cè)破壞性11EDS，STEM，光電子能譜，掃描俄歇提供化學(xué)分析難以檢測(cè)小圖形破壞性12原子力顯微鏡提供表面結(jié)構(gòu)和小臺(tái)階高度有物理接觸樣品區(qū)域小雖然受顯微鏡觀察限制難以確定不完全腐蝕膜的腐蝕速率，但通過光學(xué)顯微鏡觀察晶圓，對(duì)許多薄膜來說有助于確定光刻圖形區(qū)的腐蝕是否完成。用高質(zhì)量顯微鏡對(duì)準(zhǔn)襯底表面和腐蝕區(qū)域的底部，然后計(jì)算顯微鏡機(jī)械表盤下的讀數(shù)得到高度差，通常可以用于確定深腐蝕深度。為了提高精度，顯微鏡Z形平移臺(tái)上可以配備干涉儀讀取器以確定表面焦點(diǎn)之間的距離從而確定腐蝕深度和腐蝕速率。橢偏儀可以有效地用于確定單層和一些多層堆疊的薄膜厚度與腐蝕速率。一種垂直的非接觸式小光斑尺寸光譜儀（例如，NanoSpec[34]）是確定大多數(shù)透明和半透明薄膜腐蝕速率的一個(gè)有價(jià)值的工具。盡管需要用于接觸表面的探針可能存在污染問題，機(jī)械表面輪廓儀（例如，Alpha-Step[35]或Dektak[36]）在觀察金屬或其它薄膜的腐蝕過程中很有用。機(jī)械下垂或深度計(jì)（例如Mitutoyo[37]可用于測(cè)量大尺寸、深腐蝕結(jié)構(gòu)，如各向異性腐蝕膜。膠帶，光刻膠筆畫出的線條，或一滴用來涂在待腐蝕薄膜上的光刻膠的應(yīng)用，有時(shí)可以提供合適的特征以確定薄膜厚度以及薄膜腐蝕后的腐蝕速率，盡管特征圖形邊緣往往線條較差難以提供足夠清晰的邊緣。邊緣清晰度的改進(jìn)，可以用測(cè)試或器件掩膜版對(duì)測(cè)試片或正片進(jìn)行光刻腐蝕得到。用于深度測(cè)量和腐蝕驗(yàn)證的專用結(jié)構(gòu)可以放在測(cè)試和器件晶圓上，強(qiáng)烈推薦在工藝開發(fā)、質(zhì)量檢驗(yàn)和檢測(cè)上使用。分析儀器，如掃描電子顯微鏡（SEM）偶爾用于確定腐蝕速率，但是，它需要橫截面特征并且一般具有破壞性。腐蝕的的剖面形貌可以通過跨晶圓上腐蝕孔位置進(jìn)行裂開，然后在SEM下查看和測(cè)量腐蝕深度后確定。更新的聚焦離子束和掃描電子顯微鏡（FIB/SEM）儀器可以在同一個(gè)小腔中進(jìn)行橫截面檢查。雖然通常需要大的、未光刻的測(cè)量尺寸，但XPS和其他化學(xué)分析技術(shù)也可以用來確定一些材料配置的腐蝕速率。8.2.8其他考慮和替代品濕法腐蝕工藝，特別是每次使用都需要新配置的工藝很容易產(chǎn)生一定的困難，如錯(cuò)誤的混合腐蝕劑，采用了不能用的晶圓支架，暫時(shí)不可用的服務(wù)，和破碎的實(shí)驗(yàn)器皿等。盡管可以新建這個(gè)工序以避免這些問題，但這通常需要使用者負(fù)責(zé)去確保腐蝕工藝成功地進(jìn)行。以下兩個(gè)原則有助于避免無意間發(fā)生的問題：在正式進(jìn)行批量工藝加工前先做一個(gè)試驗(yàn)晶圓或晶圓批中的一小部分，并確保測(cè)試結(jié)構(gòu)都位于晶圓或器件上，使腐蝕工藝能立即被證實(shí)。對(duì)于那些受到一定限制的工藝單元，如濕法腐蝕，表8.3中提供了一些替代方案。商業(yè)代工廠可能完成整個(gè)工序流程的加工，它的做法是讓用戶先提交一個(gè)設(shè)計(jì)方案，然后按照方案代工完成晶圓，再將晶圓或封裝好的部分返還給用戶。商業(yè)代工廠有時(shí)可以提供定制流程或改變部分工藝，盡管可能會(huì)需要為一些一次性的工程成本進(jìn)行額外的談判和付費(fèi)。有些代工廠會(huì)以固定成本執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)工藝單元如薄膜沉積、光刻和濕法/干法刻蝕，然而定制工藝單元會(huì)產(chǎn)生的一些開發(fā)成本。工業(yè)實(shí)驗(yàn)室提供有吸引力的開發(fā)工藝和有限的原始生產(chǎn)。大學(xué)的設(shè)施，如美國(guó)國(guó)家納米加工基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)（NNIN）的成員，可以讓在每個(gè)設(shè)施的合格學(xué)生和工業(yè)用戶使用，或者遠(yuǎn)程用戶通過工作人員或當(dāng)?shù)仡檰杹韴?zhí)行所需的服務(wù)也是一種易于接受的選擇[38]。一些大學(xué)的設(shè)施鼓勵(lì)工業(yè)員工在收費(fèi)的基礎(chǔ)上在現(xiàn)場(chǎng)工作。在大學(xué)的加工設(shè)施中，學(xué)生和教職員工可以設(shè)計(jì)器件、開發(fā)工藝并在適當(dāng)?shù)谋O(jiān)督下進(jìn)行研究。政府實(shí)驗(yàn)室和政府資助的項(xiàng)目也可以滿足用戶的要求。貿(mào)易團(tuán)體，網(wǎng)絡(luò)和交易所[39]針對(duì)設(shè)計(jì)服務(wù)、工藝單元或由代工廠和實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)的完整制造工藝流程而設(shè)置的連接用戶需要的中心正在出現(xiàn)。表8.3濕法腐蝕方案的一般性比較設(shè)施模式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)商業(yè)代工廠標(biāo)準(zhǔn)工藝流程固定的工藝易設(shè)計(jì)的修正明確的開始時(shí)間可靠的完成時(shí)間固定的價(jià)格轉(zhuǎn)向生產(chǎn)支付所用很少或者沒有工藝修正對(duì)于少量的晶片或器件代價(jià)昂貴工藝知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于代工廠需要完整的工藝流程定制工藝流程專用的流程固有的面向生產(chǎn)未知的開發(fā)成本標(biāo)準(zhǔn)工藝單元更低的成本合格的工序在多個(gè)設(shè)施上完成工作定制的工藝單元外包開發(fā)工藝單元級(jí)的資質(zhì)更高的開發(fā)成本更高的單元工藝成本工業(yè)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)員或操作員快速處理內(nèi)部專業(yè)允許低速的原始生產(chǎn)人員集中資本集中維護(hù)費(fèi)用高受限的轉(zhuǎn)向生產(chǎn)工程開發(fā)革新的工藝先進(jìn)材料自創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)人員集中資本集中維修費(fèi)用高需要工藝轉(zhuǎn)讓大學(xué)設(shè)施工業(yè)用戶新器件，新工藝自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)最少的基礎(chǔ)設(shè)施嵌入式工程師或技術(shù)員建好的設(shè)施人員直接操作非?？煸囼?yàn)和器件同時(shí)進(jìn)行需要工作人員承諾成本預(yù)算當(dāng)?shù)仡檰柦ê玫脑O(shè)施有經(jīng)驗(yàn)的人員可快速技術(shù)轉(zhuǎn)讓援助外部支出花費(fèi)有限的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制學(xué)生/教師建好的設(shè)施新設(shè)備，新工藝經(jīng)驗(yàn)豐富的導(dǎo)師內(nèi)部知識(shí)產(chǎn)權(quán)需要培訓(xùn)耗時(shí)設(shè)備支持設(shè)備停機(jī)遠(yuǎn)程用戶建好的設(shè)施有經(jīng)驗(yàn)的人員靈活的工藝和材料可能較慢沒有產(chǎn)品外部支出花費(fèi)政府實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部用戶好的捐贈(zèng)的設(shè)施固定或定制的工藝內(nèi)部知識(shí)產(chǎn)權(quán)可變的資助遠(yuǎn)程用戶好的捐贈(zèng)的設(shè)施固定或定制的工藝高成本受限制的生產(chǎn)能力8.3濕法腐蝕設(shè)施和工藝的評(píng)估和開發(fā)對(duì)于半導(dǎo)體和微機(jī)電系統(tǒng)/納機(jī)電系統(tǒng)器件加工來說，濕法腐蝕工藝面臨從一般到其他方面都有的關(guān)注：設(shè)施，設(shè)備，服務(wù)，晶圓操作，安全過程以及培訓(xùn)。由于腐蝕性和有潛在的有害液體的存在，以及需要控制其來源，使用以及處置，還需一些其他的考慮。不論濕法腐蝕工藝是內(nèi)部開發(fā)還是由外部服務(wù)提供，以上的關(guān)注和考慮都需要被評(píng)估。8.3.1設(shè)施要求濕法腐蝕對(duì)于設(shè)施，維護(hù)以及運(yùn)行人員有著一定的要求。一個(gè)典型的設(shè)施也許是由很多個(gè)實(shí)驗(yàn)室組成的：一個(gè)實(shí)驗(yàn)室致力于高潔凈的集成電路加工；第二個(gè)實(shí)驗(yàn)室致力于CMOS兼容微機(jī)電系統(tǒng)和相關(guān)的半導(dǎo)體器件加工；一個(gè)一般的實(shí)驗(yàn)室致力于探索和開發(fā)非標(biāo)準(zhǔn)器件和工藝。另一個(gè)設(shè)施也許會(huì)指定特殊的區(qū)域進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)（比如硅）集成電路和高潔凈的微機(jī)電加工，指定其他的區(qū)域用于化合物半導(dǎo)體及金兼容性工藝。第三個(gè)設(shè)施也許會(huì)用化工罩在潔凈室內(nèi)將濕法化學(xué)處理分開來，其中一些特殊的化工罩被用在如下處理：氧化物的腐蝕和光刻膠剝離，氮化物的腐蝕和光刻膠剝離，鋁的腐蝕和光刻膠剝離，進(jìn)爐前的晶圓清洗（非金屬），非黃金的金屬刻蝕，各向異性腐蝕晶圓，化合物半導(dǎo)體腐蝕，一般性腐蝕（包括黃金），和溶劑加工。還有其他的設(shè)施也許除了對(duì)于只使用預(yù)先準(zhǔn)備的化學(xué)品和材料有限制，對(duì)于各類在潔凈室通風(fēng)柜內(nèi)的加工是沒有任何限制的。對(duì)于集成電路，微機(jī)電系統(tǒng)，納機(jī)電系統(tǒng)的濕法化學(xué)腐蝕工藝的一些特殊要求用簡(jiǎn)短的描述列出如下。一般設(shè)施更衣室-配備實(shí)驗(yàn)室大衣，連身衣，工作服，蓬松帽，排風(fēng)罩，面部保護(hù)，防護(hù)眼鏡，護(hù)目鏡，乳膠和乙烯手套，鞋子化學(xué)品儲(chǔ)存-有小窗口的儲(chǔ)藏柜用于提供新的腐蝕劑，貯存部分的空瓶，正在使用的化工品標(biāo)簽，以及材料安全數(shù)據(jù)表化學(xué)品處置-臨時(shí)儲(chǔ)存有可識(shí)別化學(xué)品標(biāo)簽和瓶子內(nèi)容的空瓶子和使用中的瓶子；存放重金屬腐蝕劑（如金腐蝕劑）的容器的局部處置潔凈室隔間-根據(jù)功能和局部或者實(shí)驗(yàn)室范圍空氣過濾和調(diào)節(jié)的潔凈度控制而成立。局部或者實(shí)驗(yàn)室范圍空氣過濾和調(diào)節(jié)按顆粒計(jì)數(shù)分級(jí)：10000級(jí)（一般更衣區(qū)域），1000級(jí)（清潔封裝區(qū)），100級(jí)（一般加工區(qū)），10級(jí)（光刻以及晶片清潔區(qū)域）以及其他更好的級(jí)別。濕法腐蝕臺(tái)-有著用于清潔處理，半清潔處理，對(duì)于污染控制的一般處理的帶通風(fēng)柜的一個(gè)或者多個(gè)工作臺(tái)。酸中和系統(tǒng)-在排放之前從沉淀物和通風(fēng)柜中收集，中和酸和堿廢棄物（不是氫氟酸）的自動(dòng)化系統(tǒng)。煙氣洗滌器-用水稀釋的從排氣罩排出的有害氣體的系統(tǒng)。測(cè)試臺(tái)-含有用于驗(yàn)證工藝步驟并完成器件初步檢測(cè)的測(cè)試和表征儀器。設(shè)備報(bào)警器-氣體，化學(xué)物質(zhì)，酸/堿中和，煙霧，火災(zāi)探測(cè)，頻閃報(bào)警。緊急出口-為了快速的離開實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)或者多個(gè)緊急出口。濕法操作臺(tái)服務(wù)電力為燈，通風(fēng)，報(bào)警器，熱板，攪拌器，溫度控制器，計(jì)時(shí)器，濕法操作臺(tái)所需的螺線管提供足夠的電力。供水用合適的水龍頭，抽頭，噴霧器提供去離子水。排水系統(tǒng)為氫氟酸排出以及酸/堿中和排出提供獨(dú)立的系統(tǒng)。氮?dú)饨o軟管和氮?dú)鈽屘峁嚎s空氣供給氣動(dòng)執(zhí)行器排煙為濕法工作臺(tái)和用戶的安全提供的適當(dāng)?shù)呐懦鰺熿F以及外部通風(fēng)緊急報(bào)警器用于實(shí)驗(yàn)室警報(bào)的附近的按鈕開關(guān)擴(kuò)聲系統(tǒng)和電話用于播報(bào)實(shí)驗(yàn)室通知的附近的公共廣播系統(tǒng)濕法操作臺(tái)設(shè)備有通風(fēng)罩的濕法操作臺(tái)用于酸的阻燃聚氯乙烯和聚丙烯[33]制成的濕法操作臺(tái)和用于溶劑的不銹鋼操作臺(tái)；適當(dāng)?shù)呐艢夂蛢x表；可選的層流和局部高效過濾；可選擇的深溝腐蝕槽；曲頸去離子水水龍頭，工業(yè)水室。刻蝕槽盛裝酸的四氟乙烯，聚四氟乙烯，或者石英槽；盛裝大多數(shù)溶劑用不銹鋼或者聚丙烯酸制成的罐子；蓋子。熱板帶有溫度控制的熱板集成到腐蝕槽或者水槽上；可放在通風(fēng)罩表面；可選的攪拌器。沖洗水箱用于裝酸的四氟乙烯，聚丙烯酸或聚四氟乙烯制成的水箱；用于大多數(shù)溶劑的不銹鋼或者聚丙烯酸制品；晶圓傾倒沖洗或者級(jí)聯(lián)清洗槽。定時(shí)器和控制器-一般做在濕法操作臺(tái)上。噴嘴去離子水和過濾排污氮槍噴頭。筆單個(gè)晶圓移動(dòng)的真空筆。抽吸泵將酸/堿送到酸中和系統(tǒng)的有開關(guān)的軟管和噴嘴。旋轉(zhuǎn)沖洗干燥機(jī)有可以裝晶圓盒的腔；用離子水噴涂下低速旋轉(zhuǎn)以及烘干晶片用熱氮保護(hù)下高速旋轉(zhuǎn)；一般放在接近濕法操作臺(tái)的地方。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備彩色編碼或有標(biāo)記的四氟乙烯，聚丙烯或聚四氟乙烯盒子，盒子手柄，燒杯，量桶，石英或者四氟乙烯，攪拌器，溫度計(jì)，專用夾具。濕巾擦掉無塵潔凈室的液滴，小的溢出以及吹干晶片。工作臺(tái)空間為安全的轉(zhuǎn)移晶片留有足夠的空間。地面空間為操作者提供足夠的空間，并且有額外的過道空間以作為安全通道?；瘜W(xué)品車運(yùn)輸化學(xué)品瓶子的桶或者輪式車。固體廢物處置盛裝固體廢物的簍子，比如弄臟的潔凈室的濕巾；對(duì)于溶劑或者光刻膠廢料，可以覆蓋或者抽風(fēng)；對(duì)于濕的潔凈室擦拭廢物可以用有拉鏈的袋子；對(duì)于破碎的襯底或?qū)嶒?yàn)室容器可以用專用的容器。廣口瓶為了收集廢棄溶劑的聚丙烯罐。安全個(gè)人防護(hù)護(hù)目鏡，面罩，化學(xué)用品專用手套，圍裙。操作手冊(cè)在濕法操作臺(tái)附近可得到安全程序在濕法操作臺(tái)附近可得到電話對(duì)于主要的緊急情況有電話號(hào)碼，對(duì)于小的事件，有工作人員的聯(lián)系方式。緊急警報(bào)警告實(shí)驗(yàn)室工作人員和應(yīng)急反應(yīng)小組。緊急沖洗即使在熄燈的情況下，進(jìn)入內(nèi)部就可用。緊急洗眼即使在熄燈的情況下，到達(dá)就可以使用。急救包包括裝有葡萄糖酸凝膠的管子，用于接觸了氫氟酸的情況。噴灑車有控制和處理化學(xué)泄露的緊急設(shè)備的車。材料和化學(xué)品化學(xué)品儲(chǔ)存，使用，處理，以及為了減小污染風(fēng)險(xiǎn)和保證安全的化學(xué)控制的操作規(guī)程。當(dāng)建立新的設(shè)施或者決定使用哪種設(shè)施用于濕法化學(xué)腐蝕的時(shí)候，通常建議在同一種設(shè)施里面完成所有的工藝。其他比較重要的考慮是光學(xué)光刻和電子束光刻的要求；擴(kuò)散爐操作；淀積和材料生長(zhǎng)工藝；濕法和干法刻蝕的能力；以及檢查，測(cè)試，表征需要。在大多數(shù)工藝流程中濕法腐蝕和濕法處理都是比較重要的。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的器件或者項(xiàng)目要求在濕法腐蝕之后進(jìn)行一些工藝加工，因此所有工藝的整合以及晶圓在各個(gè)步驟之間的轉(zhuǎn)移需要認(rèn)真的考慮。8.3.2圓片操作考慮濕法腐蝕的開發(fā)與進(jìn)行需要考慮到圓片操作。對(duì)于小片的晶片，一對(duì)聚四氟乙烯涂層的金屬或者塑料鑷子，或者聚氟乙烯的籃子也許就足夠了。單個(gè)圓片可以放置在四氟乙烯或者聚四氟乙烯的棒棒糖形狀的有柄的器皿中。多個(gè)圓片可以使用有多個(gè)插槽的石英硅片容器，標(biāo)準(zhǔn)的聚丙烯硅片盒或者專門的聚四氟乙烯盒中。帶有導(dǎo)管的聚醚酮，四氟乙烯，聚酰亞胺，聚四氟乙烯，或者石英尖端的真空棒可以用于傳遞和吹干晶圓。鼓勵(lì)采用重力或者推壓式的盒到盒傳遞晶圓以避免每個(gè)晶圓的直接操作。好的操作過程應(yīng)該防止晶圓間的相互接觸以及最小程度的減小接觸任何用具。每一個(gè)圓片操作工具一般都分配給特定的濕法操作臺(tái)并且只限制于那個(gè)地方?？赡芙o濕法操作臺(tái)處理襯底的類型有強(qiáng)加的限制，比如說在一個(gè)通風(fēng)柜內(nèi)是硅襯底，另一個(gè)通風(fēng)柜中是化合物半導(dǎo)體襯底。再舉例說，濕法操作臺(tái)也許為了需要極度潔凈的工藝所建立。這些工藝有進(jìn)擴(kuò)散爐前或外延生長(zhǎng)前的圓片清洗，氧化腐蝕和去除光刻膠，氮化硅刻蝕，標(biāo)準(zhǔn)金屬刻蝕，非標(biāo)準(zhǔn)的金屬或者常規(guī)刻蝕，鍍金工藝，硅的各向異性腐蝕，砷化鎵工藝，酸腐蝕，襯底處理工藝，溶劑處理以及特別處理。在一些限定的設(shè)施里，一個(gè)或者兩個(gè)濕法操作臺(tái)就足夠了：酸/基礎(chǔ)/堿和溶劑，或者酸和基礎(chǔ)/溶劑。襯底的工藝歷史會(huì)進(jìn)一步限制其獲得濕法操作臺(tái)使用的可能性。例如，一個(gè)加工設(shè)施的操作規(guī)程可能限制從任何濕法操作臺(tái)或?qū)Ｓ迷O(shè)備上處理過的一個(gè)圓片傳送用于進(jìn)爐前得潔凈處理槽中。濕法腐蝕操作應(yīng)該保證所有圓片，器皿，腐蝕劑的傳輸是無障礙的以防止圓片的損壞以及為操作員提供安全。對(duì)于用氮槍手工干燥的圓片的規(guī)定是應(yīng)該保證一個(gè)遠(yuǎn)離用戶的開放的，沒有障礙的工作區(qū)域以便用戶可以向下拿著圓片并且遠(yuǎn)離用戶的臉。為了避免不慎的損害，圓片的檢查應(yīng)該做最小的移動(dòng)和傳輸。圓片應(yīng)該任何時(shí)候總是與臺(tái)面表面保持足夠的接近以盡可能減少破損。另外，原片沿著通道傳遞到旋轉(zhuǎn)沖洗干燥機(jī)或到另一個(gè)工作臺(tái)應(yīng)當(dāng)采用保護(hù)盒以避免損壞。8.3.3安全問題濕法腐蝕工藝有暴露在外的液體。這些液體本質(zhì)上也許是有腐蝕性的并且對(duì)于用戶有著潛在性的危害。在實(shí)驗(yàn)的過程中一定要總是保持警惕。否則，用戶在從盛裝腐蝕劑瓶子開啟時(shí)到最后漂洗和丟棄腐蝕劑的任何時(shí)候都會(huì)不慎接觸到腐蝕劑而受到傷害。在建立或者使用濕法腐蝕工藝的時(shí)候，特別要注意觀察。在濕法腐蝕的時(shí)候，將有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的公共意義的有益預(yù)防，如提醒操作者避免自己的衣服被濕臺(tái)上的殘留硫酸燒孔，帶上來自清洗管的帶有鹽酸/硝酸煙霧過濾的一個(gè)全遮擋的的面罩，小心濃氫氟酸干霧，或者小心觀察來自過熱的熱板上的聯(lián)氨蒸汽云等。在進(jìn)行濕法腐蝕中操作者的安全是至關(guān)重要的。如果用戶不能安全，那么該濕法工藝是不適合的且不能使用。對(duì)于每一個(gè)腐蝕工序，都應(yīng)該寫下安全教程并教給使用者，詳細(xì)解釋清楚每一個(gè)器皿和移動(dòng)方法，包括混合腐蝕劑的順序，操作溫度，應(yīng)該使用的器皿，腐蝕劑的儲(chǔ)存或者處理，沖洗液體等。接觸化學(xué)腐蝕劑可引起灼傷，皮疹，眼損傷，肺的問題以及一些慢性健康問題。在濕法操作臺(tái)的電會(huì)引起休克危害。如果碎玻璃和晶圓沒有適當(dāng)處置的話，他們會(huì)割傷操作者以及那些無意接觸鋒利的邊緣的人員。操作員必須知道在泄露，破損或者意外事件的情況下做什么、去哪里，給誰打電話，以及怎樣清潔或者如何得到幫助。在任何時(shí)候使用者和腐蝕劑間至少有一層如透明的護(hù)盾那樣的保護(hù)層，這樣可以防止用戶被濺出的液體或者噴灑出的熱腐蝕劑損傷。一個(gè)實(shí)用的提醒如下：用戶應(yīng)該總是穿有一個(gè)保護(hù)性的衣服以及戴防護(hù)眼鏡。因?yàn)楫?dāng)事故發(fā)生時(shí)，再進(jìn)行任何的預(yù)防步驟肯定來不及。有經(jīng)驗(yàn)的用戶會(huì)在保護(hù)圓片的同時(shí)小心地從設(shè)備上的臺(tái)階下來，并平穩(wěn)的向預(yù)期的實(shí)驗(yàn)室過道移動(dòng)。8.3.4培訓(xùn)操作者和用戶的培訓(xùn)是成功安全地完成濕法腐蝕工藝的需要。由有經(jīng)驗(yàn)的用戶，所寫培訓(xùn)材料和包含所有有關(guān)操作和注意事項(xiàng)的多媒體材料組成培訓(xùn)最好。在最少一個(gè)腐蝕工藝中，培訓(xùn)師應(yīng)當(dāng)認(rèn)真監(jiān)督一個(gè)新用戶。其他實(shí)驗(yàn)室用戶應(yīng)當(dāng)仔細(xì)觀察有經(jīng)驗(yàn)用戶的操作，如果某個(gè)疏忽發(fā)生或沒有適當(dāng)?shù)念A(yù)防應(yīng)當(dāng)友好地糾正。培訓(xùn)范圍要覆蓋設(shè)備操作、腐蝕液準(zhǔn)備、腐蝕液處置、圓片操作、腐蝕步驟、漂洗和甩干步驟、和清潔步驟。安全方面包括緊急洗眼處、化學(xué)沖洗室、緊急出口、噴灑車、廣播系統(tǒng)、電話的位置。緊急號(hào)碼張貼處和聯(lián)系信息也應(yīng)當(dāng)告知未來的用戶。8.4IC-兼容材料和濕法腐蝕IC-兼容材料包括那些用于集成電路加工中的標(biāo)準(zhǔn)工藝中使用的材料。從歷史上看，大部分MEMS器件是從半導(dǎo)體加工設(shè)施中的前代設(shè)備上開發(fā)完成的。當(dāng)能處理更大晶圓和具有更小特征尺寸的新一代加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)時(shí)，這些半導(dǎo)體公司大方地將他們完全或部分折舊的設(shè)備贈(zèng)送許多學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)。所贈(zèng)設(shè)備很重要的部分用于大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建立基于4英寸(100mm)晶圓的雙極，P溝道，N溝道，和CMOS工藝，以滿足電路設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)專業(yè)學(xué)生的教研需要。實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)線建設(shè)遵守清潔原則、微塵控制，并避免那些減少載流子壽命、擊穿電壓、和影響雙極MOS電路的閾值電壓的污染。我們有充分理由相信來自金屬（例如鈉）的交叉污染會(huì)影響集成電路的性能，導(dǎo)致時(shí)漂。因此，電子級(jí)的濕法腐蝕液需要有極低含量的鈉、微量濃度的金屬（如鉛、鐵、銅、鎳）和摻雜物（如磷、砷）[40]。基于上述考慮，下面有關(guān)腐蝕工藝部分將所涉及的材料區(qū)分為IC兼容材料（將作為標(biāo)準(zhǔn)材料提及）和非標(biāo)準(zhǔn)材料，以將金屬從絕緣材料和半導(dǎo)體材料中區(qū)分出來。8.4.1氧化物和絕緣體的刻蝕每個(gè)MEMS和IC加工工藝中至少進(jìn)行一次甚至多次二氧化硅刻蝕。對(duì)需要精細(xì)線條的半導(dǎo)體工藝來說，一般用干法刻蝕氧化硅，然而，MEMS工藝往往采用濕法腐蝕氧化硅，用于腐蝕大量不重要的結(jié)構(gòu)，引線孔，和橫向過腐蝕以去除犧牲層。二氧化硅，通常被簡(jiǎn)稱為氧化物，在室溫下能被氫氟酸與水的混合物良好腐蝕。氫氟酸和其反應(yīng)生成可溶于水的H2SiF6和水[41]?？梢允褂镁彌_劑，如氟化銨，來調(diào)節(jié)腐蝕劑中HF2離子濃度，并在長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)保持均勻的刻蝕速率[42]。加入乙酸和乙二醇的氟化氨腐蝕劑用來腐蝕沉積在金屬層上的氧化物鈍化層，可以減少對(duì)金屬（比如鋁）的腐蝕[43]。氧化硅腐蝕速率受腐蝕劑的濃度影響很大。盡管常溫腐蝕效果顯著，但是溫度可控的腐蝕槽能更適合對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的腐蝕，并提供更恒定的腐蝕速率。攪拌對(duì)基于氫氟酸的腐蝕溶液有輕微影響，雖然攪拌能改變壓焊區(qū)專用腐蝕液對(duì)鈍化氧化物的有效腐蝕速率。用去離子水沖洗五周期能充分終止腐蝕，并沖洗掉晶圓表面的腐蝕劑。測(cè)試或監(jiān)控沖洗液的PH值和電阻率以確保適當(dāng)?shù)那逑磿r(shí)間和速率。干燥往往用商用旋轉(zhuǎn)沖淋烘干器實(shí)現(xiàn)，該烘干器在噴射清洗后用加熱的氮?dú)夂透咚傩D(zhuǎn)來脫水干燥。雖然氟化氨腐蝕劑一般能將要腐蝕的膜腐蝕干凈，但暗場(chǎng)光刻膠表面的小腐蝕圖形特征一般難以在HF溶液中腐蝕，因?yàn)橛袌D案的區(qū)域或抗腐蝕的硅酸鹽構(gòu)成的氧化物表層中夾有空氣，它們對(duì)腐蝕劑起著空氣屏蔽作用。氧化腐蝕速率與氧化物沉積過程密切相關(guān)。硅熱生長(zhǎng)氧化層腐蝕最慢，相反，不致密、未退火的低溫沉積氧化物腐蝕非?？?。膜中大量的硼或磷雜質(zhì)能提高腐蝕速率，這對(duì)那些需要快速鉆蝕以釋放獨(dú)立微結(jié)構(gòu)是有吸引力的。硼較少（<17%摩爾百分?jǐn)?shù)）的時(shí)候腐蝕速率下降[27]。離子注入造成的氧化物損壞也會(huì)增加腐蝕速率。相反，高溫退火會(huì)增加沉積膜的密度，使其腐蝕速率降低到接近熱生長(zhǎng)氧化物的腐蝕速率。大量的氧化物能被HF溶液或HF緩沖溶液腐蝕，這些腐蝕劑在保存或使用中都有較長(zhǎng)的存貯壽命。玻璃，Pyrex硼硅酸耐熱玻璃和石英能被HF溶液腐蝕，因此，它們作為腐蝕燒杯或晶圓固定夾使用的場(chǎng)合需注意。但是耐酸材料，如聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE），聚四氟乙烯(PTFEorTeflon)和聚偏二氟乙烯（PVDF）[27]做的燒杯或支架更普遍。除了用于高濃度的無緩沖氫氟酸溶液中，光刻膠通常是很好的掩膜，多晶硅，偶爾也用氮化硅做氧化腐蝕表層的掩膜。一個(gè)專用的化學(xué)清洗槽一般由幾部分構(gòu)成，例如，一個(gè)用來盛HF緩沖溶液的腐蝕槽，一個(gè)盛放高濃度HF溶液（49%）的腐蝕槽和光刻膠去膠用的用具等。二氧化硅濕法腐蝕總結(jié)和注意事項(xiàng)見表8.4所列。常見的二氧化硅腐蝕劑的腐蝕速率見表8.5。本章中HF緩沖溶液(BHF)腐蝕劑是指氫氟酸、氟化氨和水的混合溶液，而非另一個(gè)常用的氧化腐蝕緩沖劑（BOE），因?yàn)锽HF用于腐蝕非二氧化硅材料。按體積比向水中摻入濃縮的鹽酸之后就可以得到稀釋的鹽酸腐蝕劑（DHF）。 表8.4氧化物濕法腐蝕敏感度對(duì)腐蝕速率變量的影響 腐蝕劑 備注1腐蝕劑濃度高 基于HF,BHF,或 較高的酸濃度會(huì)增快腐蝕速率 NH4F的溶液 用水稀釋降低腐蝕速率2緩沖一般 BHF NH4F做為HF溶液腐蝕劑的緩沖液， 使刻蝕速率均勻3溫度一般 HF,BHF,NH4F溫度升高可以提高腐蝕速率4攪拌無影響到一般 HF,BHF,NH4F 攪拌對(duì)氫氟酸腐蝕率有輕度影響； (對(duì)有小圖形特征的刻蝕有幫助作用); 攪拌能提高以NH4F為基礎(chǔ)的溶液刻蝕速率5漂洗夜無HF,BHF,NH4F 使用大量去離子水;噴射，傾倒，沖刷，溢出或稀釋清洗6干燥無HF,BHF,NH4F 用旋轉(zhuǎn)-噴淋-甩干或氮?dú)獯蹈?特征尺寸無影響到一般HF,BHF,NH4F 小特征尺寸在在基于HF的溶液中難以刻蝕，因?yàn)楣饪棠z表面的鹽層或氣塞現(xiàn)象，在基于NH4F的溶液中有所改善8氧化物高HF,BHF,NH4F 通常熱生長(zhǎng)氧化物腐蝕速率最低；沉積溫度沉積技術(shù)較低的氧化物腐蝕較快，退火少，膜密度低9氧化物摻雜量一般HF,BHF,NH4F 摻有雜質(zhì)的氧化物，如摻有硼或磷或兩者都摻一般會(huì)提高腐蝕速率10退火低到適中HF,BHF,NH4F 退火會(huì)降低低溫氧化物或其他沉積氧化物刻蝕速率；對(duì)熱氧化物的刻蝕速率影響最小11刻蝕消耗低HF,BHF,NH4F HF和BHF腐蝕溶液腐蝕損耗很小12保質(zhì)期一般至長(zhǎng)期HF,BHF,NH4F HF和BHF腐蝕溶液可保質(zhì)數(shù)月13腐蝕燒杯和支架無HF,BHF,NH4F 避免用石英,Pyrex玻璃，玻璃，或 金屬燒杯、支架14腐蝕掩膜無HF,BHF,NH4F 常用光刻膠；多晶硅或氮化硅更有效表8.5二氧化硅腐蝕劑和腐蝕工藝腐蝕速率原料(?/s)腐蝕劑備注及參考1二氧化硅(SiO2),不明HCl(38%):HF(49%):H2O室溫；硼磷硅玻璃腐蝕劑；熱氧化物的腐蝕小;淀積的硼磷硅玻璃10:1:10去離子水漂洗[45]2二氧化硅(SiO2),11HF(49%)20oC蒸汽,HF蒸汽腐蝕劑；大氣壓;刻蝕劑上方1cm處；熱生長(zhǎng)蒸汽 掩膜用Si(多晶),Si3N4(65:1),Si3N4(低壓)(35:1)；用光刻膠做掩膜會(huì)脫落;腐蝕Pyrex玻璃,石英,二氧化硅(低溫氧化物)(13?/s), SiO2(磷硅玻璃)(35?/s),SiO2(磷硅玻璃,退火)(25?/s);不明顯腐蝕Au，Cr，Ni，聚酰亞胺、Pt、藍(lán)寶石、Si、Si（多晶）、W；能使Al、Cu、Ti變粗糙；將圓片每15秒鐘從蒸汽上移開，避免蒸汽圓片表面表面冷凝；加熱圓片提高腐蝕速率，提高對(duì)沉積氧化物和熱生長(zhǎng)氧化物的選擇性[27,28,46]3二氧化硅(SiO2),13–35HF(49%)20oC蒸汽;HF蒸汽腐蝕劑;大氣壓;未摻雜退火薄膜的腐蝕速度為13?/s，摻雜 未退火的薄膜為35?/sLPCVDLTO蒸汽摻雜質(zhì)的非退火薄膜范圍高;和PSG 參見同一腐蝕劑對(duì)熱氧化硅的備注[27] 4二氧化硅(SiO2),220HF(49%)室溫;HF腐蝕劑(49%重量百分比);去離子水漂洗[47,48]熱生長(zhǎng)未稀釋5二氧化硅(SiO2),1100-1900HF(49%)室溫;PSG腐蝕劑;退火的SiO2(PSG),3–5%(重量百分比);去離子水漂洗[47]淀積的PSG未稀釋6二氧化硅(SiO2),380HF(49%)20oC;HF腐蝕劑(49%重量百分比);光刻膠掩膜能用于短時(shí)腐蝕;當(dāng)H2O和HF(49%)比率高于3:1時(shí)，光刻膠會(huì)脫落或破裂[49]；熱生長(zhǎng)未稀釋用厚度大于4000埃的Si(多晶)[50],Si3N4(160:1),Si3N4(低壓)(440:1),W(460:1)做掩膜；刻蝕鋁、鈦;去離子水漂洗[27]Table8.5(續(xù))刻蝕速率原料(?/s)刻蝕劑備注及參考文獻(xiàn)7二氧化硅(SiO2),230–600HF(49%) 20oC;氫氟酸腐蝕液(49重量比);未摻雜退火膜腐蝕速率低，摻雜未退火膜腐蝕沉積未稀釋速率高;參見同一腐蝕液對(duì)熱生長(zhǎng)氧化物作用的備注[27]8二氧化硅(SiO2),4HF(49%):H2O20oC;稀氫氟酸腐蝕液(10:1);掩膜用光刻膠，Si(多晶),熱生長(zhǎng)1:10Si3N4(20:1),Si3N4(低壓)(75:1),W(>200:1);刻蝕AlSi(2%)(40?/s),Ti(180?/s),TiW(1?/s);去離子水漂洗[27]9二氧化硅(SiO2),5–250HF(49%):H2O20oC;稀氫氟酸腐蝕劑(10:1);未摻雜退火膜腐蝕速率低，摻雜未退火膜腐蝕沉積1:10速率高;參見同一腐蝕液對(duì)熱生長(zhǎng)氧化物作用的備注[27]10二氧化硅(SiO2),1HF(49%):H2O室溫;稀氫氟酸腐蝕劑(50:1);用光刻膠,Si(多晶),Si3N4(>5:1),熱生長(zhǎng)1:50Si3N4(低壓)(>5:1)做掩膜;去離子水漂洗[51]11二氧化硅(SiO2),1–10HF(49%):H2O室溫;稀氫氟酸腐蝕劑(50:1);l未摻雜退火膜腐蝕速率低，摻雜未退火膜腐蝕沉積1:50速率高;參見同一腐蝕液對(duì)熱生長(zhǎng)氧化物作用的備注[27]12二氧化硅(SiO2),0.4HF(49%):H2O室溫;稀氫氟酸腐蝕液(100:1);去離子水漂洗[52]熱生長(zhǎng)1:10013二氧化硅(SiO2),5HF(49%):HNO3(70%):H2O室溫;R-腐蝕液;硼硅玻璃腐蝕劑;優(yōu)先