黑硅電池中你需要掌握半導(dǎo)體基礎(chǔ)工藝知識

黑硅電池中你需要掌握半導(dǎo)體基礎(chǔ)工藝知識第一頁，共119頁。體系1硅片浸入混合溶液HF/H2O2/HAuCl4中，體積比1：4，0.024mM(HAuCl4).時間長度為2-4分鐘。然后經(jīng)去離子水中沖洗干凈。為去除硅表面的膜狀物，硅片被浸入混合溶液HON3/H2O（體積比1：2）中處理1-3分鐘，并用去離子水沖洗干凈。第二頁，共119頁。體系2硅片浸入混合溶液HF/HON3/AgON3中，體積比1.25：1，0.031mM(AgON3).時間長度為15-30分鐘。然后經(jīng)去離子水中沖洗干凈。為去除硅表面的膜狀物，硅片被浸入混合溶液HON3/H2O（體積比1：2）中處理1-3分鐘，并用去離子水沖洗干凈。第三頁，共119頁。體系3硅片浸入混合溶液HF/H2O2/Cu(ON3)2中，體積比3：7，0.023mM[Cu(ON3)2)].時間長度為30-45分鐘。然后經(jīng)去離子水中沖洗干凈。為去除硅表面的膜狀物，硅片被浸入混合溶液HON3/H2O（體積比1：2）中處理1-3分鐘，并用去離子水沖洗干凈。第四頁，共119頁。實驗結(jié)果1.實驗證明金屬粒子是硅在氫氟酸中產(chǎn)生各向異性腐蝕的關(guān)鍵。2.金屬粒子的自發(fā)運動好比就是一臺微型挖掘機，隨著時間的推移從而在硅材料上開拓出隧道。3.摻金化合物的反應(yīng)劇烈程度最高，摻銀化合物反應(yīng)的劇烈程度次之，摻銅化合物反應(yīng)的劇烈程度最弱，減薄量也是這種情況。第五頁，共119頁。建議以上內(nèi)容摘自（金屬輔助濕法化學(xué)腐蝕黑硅機理的探討）作者云南師范大學(xué)廖承菌先生。廖先生的文章里有詳細的實驗數(shù)據(jù)，有興趣的朋友可以找來文章仔細研讀。以下的文章是刻蝕的基礎(chǔ)知識，包括干法刻蝕和濕法刻蝕。RIE在干法刻蝕中，拋光在TMAH的介紹中。第六頁，共119頁。內(nèi)容

概述干法刻蝕濕法刻蝕應(yīng)用第七頁，共119頁。1.概述圖形轉(zhuǎn)移第八頁，共119頁?？涛g種類干法：氣態(tài)等離子體中，發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)亞微米尺寸濕法：液態(tài)化學(xué)試劑中，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)尺寸大于3微米按材料分：金屬刻蝕介質(zhì)刻蝕硅（多晶硅）刻蝕第九頁，共119頁。按圖形分：有圖形刻蝕：掩模層定義刻蝕區(qū)域（柵，金屬互連線，通孔，接觸孔，溝槽等）無圖形刻蝕：無掩模（反刻或剝離）第十頁，共119頁。基本概念?原理上類似于化學(xué)氣相沉積過程，除了

-材料是去除而不是沉積?由三步組成：(1)等離子體產(chǎn)物到達被刻蝕表面；(2)與表面膜發(fā)生反應(yīng)；(3)反應(yīng)物從表面移走第十一頁，共119頁?？涛g參數(shù)刻蝕速率刻蝕剖面刻蝕偏差選擇比均勻性殘留物聚合物等離子體誘導(dǎo)損傷顆粒、沾污和缺陷第十二頁，共119頁?？涛g速率刻蝕劑的濃度負載效應(yīng)：要刻蝕大面積區(qū)域，會耗盡刻蝕劑濃度，而使R下降；若面積小，則刻蝕會快一些。終點檢測第十三頁，共119頁?？涛g剖面兩種基本剖面：各項同性：各項異性：小線寬圖形亞微米器件，現(xiàn)今集成電路要求88°-89°，高深寬比圖形窗口：化學(xué)刻蝕劑難以進入，反應(yīng)生成物難以出來解決辦法：將等離子體定向推進到高深寬比窗口，離子方向性垂直于表面；高密度等離子體第十四頁，共119頁。刻蝕偏差刻蝕后線寬或關(guān)鍵尺寸間距發(fā)生變化，通常由橫向刻蝕引起，但也能由刻蝕剖面引起?？涛g偏差=Wb-Wa第十五頁，共119頁。選擇比被刻蝕材料的刻蝕速率與另一種材料的刻蝕速率之比關(guān)鍵尺寸越小，選擇比高求越高。選擇比差：11選擇比好：100-1000第十六頁，共119頁?？涛g均勻性因為刻蝕速率和刻蝕剖面與圖形尺寸和密度有關(guān)而產(chǎn)生深寬比相關(guān)的刻蝕或微負載效應(yīng)第十七頁，共119頁。殘留物產(chǎn)生原因：

被刻蝕膜層中的污染物選擇比不合適的化學(xué)刻蝕膠體中的污染物膜層中不均勻的雜質(zhì)分布方法：刻蝕完成后進行過刻蝕；有時采用濕法化學(xué)腐蝕去掉第十八頁，共119頁。聚合物?有時有意形成，目的是在側(cè)壁上形成抗腐蝕膜，從而防治橫向刻蝕，形成高的各項異性刻蝕。?光刻膠中的C轉(zhuǎn)化而來，并與刻蝕氣體和刻蝕產(chǎn)物結(jié)合在一起。?在硅刻蝕中，通過控制F/C的比例，形成聚合物，低F/C比易于形成側(cè)壁聚合物（側(cè)壁鈍化）

第十九頁，共119頁。等離子體誘導(dǎo)損傷?等離子體包含大量的離子，電子和激發(fā)原子/分子?主要損傷：

-非均勻等離子體在晶體管柵電極產(chǎn)生陷阱電荷，引起薄柵氧化硅的擊穿；-能量離子對暴露的柵氧化層的轟擊（典型離子流1015/cm2，能量300-700eV第二十頁，共119頁。2.干法刻蝕獲得高精度圖形轉(zhuǎn)移的常用方法是采用干法刻蝕。主要目的是完成地把掩模圖形復(fù)制到硅片表面上。干法刻蝕刻一般可分為高壓等離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕和離子銑三種類型，對應(yīng)于從高到低的氣體氣壓下的刻蝕工藝。

第二十一頁，共119頁。干法刻蝕比較第二十二頁，共119頁。

干法刻蝕優(yōu)點?Eliminateshandlingofdangerousacidsandsolvents不接觸酸和溶劑?Usessmallamountsofchemicals化學(xué)物用量少?Isotropicoranisotropicetchprofiles各向同性或異性截面?DirectionaletchingwithoutusingthecrystalorientationofSi（不考慮硅的晶向）?Faithfullytransferlithographicallydefinedphotoresistpatternsintounderlyinglayers保真度高?Highresolutionandcleanliness高分辨率高，清潔?Lessundercutting鉆蝕少?Betterprocesscontrol更好的工藝控制?Easeofautomation(e.g.,cassetteloading)易于自動化第二十三頁，共119頁。干法刻蝕缺點–Somegasesarequitetoxicandcorrosive某些氣體有毒和腐蝕性–Re-depositionofnon-volatilecompounds非揮發(fā)物質(zhì)再沉積–Needforspecialized(expensive)equipment需要較貴的特殊設(shè)備第二十四頁，共119頁。等離子體的產(chǎn)生?

微電子工業(yè)使用的等離子體是一般通過氣體輝光放電的方式產(chǎn)生

?等離子體概念：在放電腔中，氣體原子（或分子）電離產(chǎn)生離子（或裂解產(chǎn)生分子原子碎片形成具有化學(xué)活性的基團和氧化劑、還原劑），形成具有一定電離度的準中性粒子區(qū)，稱為等離子體。

?

根據(jù)電場的施加方式或頻率，氣體放電產(chǎn)生等離子體可分為直流放電、高頻放電、射頻放電、微波放電，其中放電的機制各不相同，但是作為等離子體，卻又有共性。

第二十五頁，共119頁。直流氣體放電自持氣體放電條件：放電空間單位時間產(chǎn)生的帶電粒子數(shù)目等于各種消電離因素引起帶電粒子損失的數(shù)目。擊穿電壓或著火電壓巴邢定律：盡管兩個放電腔的氣壓(p)和極間距(d)不同，但只要乘積相等，則擊穿電壓就相等。pd值過大或過小都會使擊穿電壓升高，因此存在一個合適的值可使擊穿電壓處于最小值。第二十六頁，共119頁。AC電壓克服了DC系統(tǒng)的電荷在介質(zhì)上的積累現(xiàn)象。第二十七頁，共119頁。射頻放電等離子體

高頻放電不同于直流放電工業(yè)上：13.56MHz27.12MHz?

由于質(zhì)量上的差異,在電場作用下電子和離子的遷移行為不同，離子的遷移率比電子的遷移率小兩個數(shù)量級；?

電子可以跟交變電場的變化，而離子不能；?

離子的振蕩可以忽略，其運動是可視為在一種平均場下的遷移運動

第二十八頁，共119頁。射頻等離子體和電勢

Vc/Va=(Aa/Ac)4為了增加鞘層電壓，將上電極腔體壁連接以增加上電極的面積，于安全的考慮這一點通常別設(shè)為直流接地點

非對稱反應(yīng)腔：兩電極上的電勢差與電極面積滿足：對稱腔：電勢差相等第二十九頁，共119頁。等離子體的主要宏觀和微觀參數(shù)?自偏壓?功率?溫度?粒子密度和能量分布（電子，離子）

-電子直接從電源獲得能量；電子的能量分布(EEDF)，它決定了電子與原子或分子碰撞的幾率，從而影響等離子體的電離度或離子密度；

-離子在輝光區(qū)形成，在小電場作用下被拽進鞘層區(qū)，然后在鞘層區(qū)的大電場作用下加速運動抵達轟擊樣品。；

-不帶電荷的基團僅由于只具有一定的熱能，其運動呈現(xiàn)各向同性的特性。

-離子轟擊樣品表面的能量和角度直接與在鞘層區(qū)中碰撞幾率有關(guān)。無碰撞，有單一能量；有碰撞，寬能量范圍上的多峰分布第三十頁，共119頁。SF6等離子體中SF5+的能量分布自偏壓固定在-200V.

是否產(chǎn)生碰撞，主要和氣壓有關(guān)，因此影響離子運動的因素主要是氣壓，而決定離子最高能量的因素則是直流自偏壓。

第三十一頁，共119頁。高密度等離子體容性射頻等離子體的缺陷：離子和基團的濃度越高，刻蝕的速率也越高。通過增加工藝流量，可以提高濃度，但是受到等離子體放電方式的限制和放電穩(wěn)定性的影響。新的等離子體技術(shù)：?

電感耦合等離子體(ICP)：?

磁控等離子體(MCP）：(>1011/cm3)?

電子回旋共振等離子體(ECR):

具有等離子體密度高(1010～1012cm)-3,電離度大(>10%)、工作氣壓低（1～10-3Pa）、均勻性好、參數(shù)容易控制等特點。

第三十二頁，共119頁。電感耦合等離子體（ICP）和磁控等離子體

?

都工作在等離子體頻率附近，它們的基本原理是利用橫向的電場和磁場來增加電子在等離子體中的行程，從而使電子和原子間的碰撞加劇，以增加等離子體中基和離子的密度。

?ICP有兩套獨立的射頻電源，分別用于產(chǎn)生等離子體和定向濺射。第三十三頁，共119頁。電子回旋共振（ECR）等離子體

?工作于1GHz以上的微波頻率區(qū)

?當磁場中電子的回旋頻率等于微波頻率時，電子與微波發(fā)生共振，獲得能量的電子電離中性氣體，產(chǎn)生放電，形成穩(wěn)定的等離子體

在2.45GHz的微波頻率時，產(chǎn)生共振的磁感應(yīng)強度為0.875T

電子的回旋頻率：

當工作氣壓低于10-2Pa時，離子能量在20～50eV范圍內(nèi)，減少了襯底受熱和離子轟擊對襯底的損傷，在工作室內(nèi)，不引入電極，減少了雜質(zhì)的污染，增加了反應(yīng)氣體的穩(wěn)定性。

第三十四頁，共119頁。等離子體刻蝕機理?

等離子體刻蝕就是利用上述的氣體放電將穩(wěn)定的氣體分子裂解成具有化學(xué)活性產(chǎn)物和離子類，通過選擇一定的化學(xué)氣氛，使得這些裂解的物質(zhì)與刻蝕的樣品發(fā)生反應(yīng)形成揮發(fā)性的物質(zhì)的過程。?

根據(jù)刻蝕機制，可以分為三類：化學(xué)等離子體刻蝕(PE)、物理離子束刻蝕(IBE)和反應(yīng)離子刻蝕（RIE）?

反應(yīng)離子刻蝕是將物理作用的濺射刻蝕和化學(xué)作用的反應(yīng)刻蝕結(jié)合起來的過程。但是RIE中的濺射并不僅僅是純物理的作用，即在碰撞離子間并不僅僅是動量交換，它還對化學(xué)反應(yīng)起促進作用。

第三十五頁，共119頁。射頻濺射電壓比:VC/VA=(AA/AC)n射頻濺射可用于絕緣材料DC&RFSputterEtching等離子體濺射第三十六頁，共119頁。物理濺射刻蝕高方向性，低選擇性。離子被電場加速轟擊靶面是濺射沉積的逆過程用于離子銑和薄膜沉積前的預(yù)清洗SputteredSpeciesResistResistIon第三十七頁，共119頁?；瘜W(xué)刻蝕非方向性，各向同性，很高選擇性；non-directional(isotropic),veryhighselectivity等離子體產(chǎn)生高反應(yīng)自由基物資；plasmacreateshighlyreactivespeciescalled“freeradicals”自由基無電荷，故非方向性；radicalsarenotcharged,sothereisnodirectionalityusefulforblanketfilmremoval(“ashing”ofphotoresistwithoxygen)揮發(fā)物質(zhì)ResistResist自由基第三十八頁，共119頁。物理和化學(xué)刻蝕(反應(yīng)離子刻蝕ReactiveIonEtch)組合了方向性和選擇性可用于光刻膠掩膜制作亞微米結(jié)構(gòu)接觸，過孔，多晶硅，金屬等EtchProductResistResistIonRadical第三十九頁，共119頁。IonAssistedEtchingAndSidewallPassivation離子輔助刻蝕和側(cè)壁鈍化ImprovesdirectionalityoftheReactiveIonEtch,verticalsidewalls改進方向性，形成垂直側(cè)壁離子方向性好，很少碰撞側(cè)壁。聚合物沉積。在底部的聚合物被濺射掉，但側(cè)壁的聚合物保留。側(cè)壁聚合物保護側(cè)壁免于化學(xué)腐蝕。SiliconSubstrateOxideResistResistIonAssistedEtchRateNoIonBombardmentPositiveIons第四十頁，共119頁。第四十一頁，共119頁。離子銑使用惰性氣體方向性高中性離子束:適用于導(dǎo)體和絕緣材料第四十二頁，共119頁。弱選擇性！第四十三頁，共119頁。離子銑產(chǎn)生的問題

MasktapertransferRedepositionfromthemaskTrenching溝槽第四十四頁，共119頁。?氟等離子體-useCF4forSietching刻蝕化學(xué)和反應(yīng)機制第四十五頁，共119頁。高能電子的碰撞分解CF4分子，產(chǎn)生自由F原子和分子自由基CF3,CF2,andC.(中性自由基比例~5–10%)離子轟擊表面可打破Si-Si鍵第四十六頁，共119頁。CF4中增加O2氧與C反應(yīng)產(chǎn)生CO2.故增加F濃度.Si和

SiO2

的刻蝕速率都增加.在高氧濃度,Si與

SiO2

的刻蝕選擇性下降，源于氧吸收在Si表面，形成SiO2.第四十七頁，共119頁。第四十八頁，共119頁。?Etchratemaximizesaround12%O2?EtchratedecreasesathigherO2concentrations-DilutionofFconcentrationwithoverlyabundantO2-TrendissimilarforSiO2?EtchrateishigherforSi?Si/SiO2selectivityisgood?IsotropicetchingDependenceofEtchRateandSi/SiO2SelectivityonO2/CF4Ratio第四十九頁，共119頁。CF4中增加H2ThehydrogenreactswithFtoproduceHF.ThisremovestheFfromtheplasma,therebyincreasingtheCconcentration.Theformationofsidewallpassivating(nonvolatilefluorocarbons)film.形成側(cè)壁鈍化膜第五十頁，共119頁。DependenceofEtchRateandSiO2/SiSelectivityonH2/CF4Ratio第五十一頁，共119頁。第五十二頁，共119頁。第五十三頁，共119頁。Etchantsandetchproducts第五十四頁，共119頁。ImportantgasesforSitrenchetchingwiththeirmainplasmaradicals,productsandinhibitor第五十五頁，共119頁。各項異性反應(yīng)離子刻蝕?傳統(tǒng)：Cl基和Br基等離子體

-Cl和Br基團與

Si的反應(yīng)幾率很?。?0-5～10-6），產(chǎn)生離子輔助刻蝕的離子的能量可低至25eV，而側(cè)壁基本上由于低反應(yīng)性而得到保護；

-但存在安全隱患。

?氟基等離子體

-安全的刻蝕體系，但是氟原子（

能量～0.05eV）與硅的反應(yīng)幾率很高（10%），具有很高的各向同性刻蝕傾向

-側(cè)壁鈍化機制：SF6/O2,CF4/O2

側(cè)壁聚合物附著，底部離子刻蝕；

-低溫刻蝕機制：溫度影響反應(yīng)化合物的附著幾率，對離子轟擊影響小；第五十六頁，共119頁。高深寬比刻蝕中有關(guān)的粒子與結(jié)構(gòu)的相互作用過程

第五十七頁，共119頁。紅外亞波長結(jié)構(gòu)深腔刻蝕（金屬掩模）第五十八頁，共119頁。第五十九頁，共119頁。BOSCHICP(PLASMATHERM)TheBoschprocessusestwochemistries,onetogeneratepolymersandtheothertoetchsilicon.Theetchmachineswitchesbetweenthetwoeveryfewsecondstoensurethatthesidewallsarecoveredwithpolymerallowingfast,deeptrenchetching.(thesubstrateisonachuckthatiscooledbyliquidnitrogen.產(chǎn)生聚合物和硅刻蝕交替進行；幾秒鐘切換；襯底液氮冷卻第六十頁，共119頁。Dryetchingwithgaschoppingwithoutrippledsidewalls第六十一頁，共119頁。第六十二頁，共119頁。STSETCHSYSTEMSF6andC4F81to10um/min,Oxide,NitrideorPhotoresistmasks.13secetchinSF6at130sccmplusO2at13sccm7secpolymerdepositioninC4F8at80sccm600wattsRFpower45mTorrPressureduringetch100Vwaferbiasduringetch3um/minetchrate第六十三頁，共119頁。20minutesDeepReactiveIonEtchforSilicon57.2mmsilicon2mmsiliconscalloping第六十四頁，共119頁。原子力顯微鏡的針尖第六十五頁，共119頁。硅加速度計第六十六頁，共119頁。3.濕法刻蝕第六十七頁，共119頁。?Isotropicetching各向同性–Sameetchrateinalldirections–Lateraletchrateisaboutthesameasverticaletchrate–Etchratedoesnotdependupontheorientationofthemaskedge?Anisotropicetching各向異性–Etchratedependsuponorientationtocrystallineplanes腐蝕速率依賴于晶向–Lateraletchratecanbemuchlargerorsmallerthanverticaletchrate,dependinguponorientationofmaskedgetocrystallineaxes–Orientationofmaskedgeandthedetailsofthemaskpatterndeterminethefinaletchedshape掩膜邊的取向和掩膜圖案決定最終的腐蝕形狀?Canbeveryusefulformakingcomplexshapes?Canbeverysurprisingifnotcarefullythoughtout?Onlycertain“standard”shapesareroutinelyused第六十八頁，共119頁。EtchingChemistry腐蝕化學(xué)?Theetchingprocessinvolves:–Transportofreactantstothesurface傳輸–Surfacereaction表面反應(yīng)–Transportofproductsfromthesurface?Keyingredientsinanywetetchant:–Oxidizer氧化劑?examples:H2O2過氧化氫,HNO3硝酸–Acidorbasetodissolveoxidizedsurface酸或堿消解氧化表面?examples:H2SO4,NH4OH–Dillutentmediatotransportreactantsandproductsthrough稀釋劑?examples:H2O,CH3COOH草酸第六十九頁，共119頁。RedoxReactions(氧化還原反應(yīng))?Etchingisinherentlyanelectrochemicalprocess（電化學(xué)過程）:–Itinvolveselectrontransferprocessesaspartofthesurfacereactions.?Theoxidationnumberisthenetpositivechargeonaspecies.?Oxidationistheprocessofelectronloss,orincreaseintheoxidationnumber.電子損失?Reductionistheprocessofelectrongain,ordecreaseintheoxidationnumber.電子增加?Redoxreactionsarethosecomposedofoxidationofoneormorespeciesandsimultaneousreductionofothers.第七十頁，共119頁。KeyTechnologiesofWetEtching

Profiles:IsotropicandAnisotropicApplications:Silicon,SiliconNitride,SiliconDioxide,MetalControls:Doping,Electrochemical,FilmQuality,MaskMaterials第七十一頁，共119頁。Isotropicetchingofsilicon硅的各向同性腐蝕第七十二頁，共119頁。?Hydrofluoricacid（氫氟酸）+Nitricacid（硝酸）+Aceticacid（醋酸）?ProducesnearlyisotropicetchingofSi?Overallreactionis:–Si+HNO3+6HF?H2SiF6+HNO2+H2O+H2–Etchingoccursviaaredoxreactionfollowedbydissolutionoftheoxidebyanacid(HF)thatactsasacomplexingagent.–PointsontheSisurfacerandomlybecomeoxidationorreductionsites.Theseactlikelocalizedelectrochemicalcells（局部電化學(xué)池）sustainingcorrosioncurrentsof~100A/cm2(relativelylarge).–Eachpointonthesurfacebecomesbothananodeandcathodesiteovertime.Ifthetimespentoneachisthesame,theetchingwillbeuniform;otherwiseselectiveetchingwilloccur.HNAEtchingofSilicon-1第七十三頁，共119頁。HNAEtchingofSilicon-2?Siliconispromotedtoahigheroxidationstateatananodicsitewhichsuppliespositivechargeintheformofholes:–Si0+2h+

?Si2+?NO2fromthenitricacidissimultaneouslyreducedatacathodesitewhichproducesfreeholes:–2NO2

?2NO2-

+2h+?TheSi2+combineswithOH-

toformSiO2:–Si2++2OH-?Si(OH)2

?SiO2+H2O?TheSiO2isthendissolvedbyHFtoformawatersolublecomplexofH2SiF6:–SiO2+6HF?H2SiF6+2H2O第七十四頁，共119頁。HNAEtchingofSilicon-3?Nitricacidhasacomplexbehavior:–Normaldissociationinwater(deprotonation):?HNO3

?NO3-+H+–AutocatalyticcycleforproductionofholesandHNO2:?HNO2+HNO3

?N2O4+H2O?N2O4

?2NO2

?2NO2

-

+2h+?2NO2-

+2H+

?2HNO2–NO2iseffectivelytheoxidizerofSi?ItsreductionsuppliesholesfortheoxidationoftheSi.–HNO2isregeneratedbythereaction(autocatalytic)–OxidizingpoweroftheetchissetbytheamountofundissociatedHNO3.第七十五頁，共119頁。HNAEtchingofSilicon-4?Roleofaceticacid(CH3COOH):–Aceticacidisfrequentlysubstitutedforwaterasthedilutent.–Aceticacidhasalowerdielectricconstantthanwater?6.15forCH3COOHversus81forH2O?ThisproduceslessdissociationoftheHNO3andyieldsahigheroxidationpowerfortheetch.–AceticacidislesspolarthanwaterandcanhelpinachievingproperwettingofslightlyhydrophobicSiwafers.第七十六頁，共119頁。HNAEtchingofSilicon-5第七十七頁，共119頁。HNAEtchingofSilicon-6第七十八頁，共119頁。HNAEtchingofSilicon-7?Region–ForhighHFconcentrations,contoursareparalleltothelinesofconstantHNO3;thereforetheetchrateiscontrolledbyHNO3inthisregion.–Leaveslittleresidualoxide;limitedbyoxidationprocess.?Region–ForhighHNO3concentrations,contoursareparalleltothelinesofconstantHF;thereforetheetchrateiscontrolledbyHFinthisregion.–Leavesaresidual30-50AngstromsofSiO2;self-passivating;limitedbyoxidedissolution;areaforpolishing.?Region–InitiallynotverysensitivetotheamountofH2O,thenetchratefallsofsharplyfor1:1HF:HNO3ratios.第七十九頁，共119頁。硅的各向異性腐蝕?Differinghybridized(sp3)orbitalorientationondifferentcrystalplanescausesdrasticdifferencesinetchrate.?Typically,etchratesare:(100)>(110)>(111).?The(111)familyofcrystallographicplanesarenormallythe“stop”planesforanisotropicetching.?Thereare8(111)planesalongthe±x±y±zunitvectors.?Intersectionsoftheseplaneswithplanarbottomsproducethestandardanisotropicetchingstructuresfor(100)Siwafers:–V-grooves

V形槽–pyramidalpits金字塔坑–pyramidalcavities金字塔腔第八十頁，共119頁。SiCrystalEtching:<100>wafer反應(yīng)受限腐蝕腐蝕液:KOH,EDP(EthyleneDiaminePycocatechol),TMAH(TetraMethylAmmoniumHydroxide)掩模: LPCVDSi3N4 ThermalSiO2腐蝕速率依賴于：

配比；溫度；晶向典型(E(100)) Temp=80C KOH/waterratio=30% Etchingrate=~1m/min

E(100)/E(111)=35(EDP) E(100)/E(111)=400(KOH)第八十一頁，共119頁。各向異性腐蝕硅第八十二頁，共119頁。AnisotropicEtchingofSilicon-3第八十三頁，共119頁。氫氧化合物腐蝕硅?Severalhydroxidesareuseful:–KOH,NaOH,CeOH,RbOH,NH4OH,TMAH:CH3)4NOH?Oxidationofsiliconbyhydroxylstoformasilicate:–Si+2OH-

+4h+

?Si(OH)2

++?Reductionofwater:–4H2O?4OH-

+2H2+4h+?Silicatefurtherreactswithhydroxylstoformaatersolublecomplex:–Si(OH)2+++4OH-?SiO2(OH)2

2-

+2H2O?Overallredoxreactionis:–Si+2OH-

+4H2O?Si(OH)2+++2H2+4OH-第八十四頁，共119頁。KOHEtchingofSilicon-1?Typicalandmostusedofthehydroxideetches.?Atypicalrecipeis:–250gKOH–200gnormalpropanol丙醇–800gH2O–Useat80°Cwithagitation?Etchrates:–~1mm/minfor(100)Siplanes;stopsatp++layers–~14Angstroms/hrforSi3N4–~20Angstroms/minforSiO2?Anisotropy:(111):(110):(100)~1:600:400第八十五頁，共119頁。KOHEtchingofSilicon-2?Simplehardware:–Hotplate&stirrer.熱板和攪拌器–Keepcoveredoruserefluxcondensertokeeppropanolfromevaporating.回流冷凝器?Presenceofalkalimetal(potassium,K)makesthiscompletelyincompatiblewithMOSorCMOSprocessing!不兼容?Comparativelysafeandnon-toxic.安全無毒第八十六頁，共119頁。EtchrateofSiinKOHDependsonCrystallographicPlane第八十七頁，共119頁。四甲基氫氧化銨TMAH(tetramethylammoniumhydroxide)TMAH是一種有機堿，它與硅反應(yīng)會生成一種溶于水的絡(luò)合物-硅酸四甲基銨，并且會有氫氣生成。第八十八頁，共119頁。第八十九頁，共119頁。[110]x[100]y[010]z[001]CrystalOrientationonWafer<100><111>54.7°"FundamentalofMicrofabrication,"MarcMadouaaa第九十頁，共119頁。Why54.7?(111)planenormalvector=[111](001)planenormalvector=[001]第九十一頁，共119頁。CrystalEtchingChemistry(Siedel’smodel)(1)<100>planeSi+2OH-

Si(OH)2+2+2e-(i)Si(OH)2+2+2OH-

Si(OH)4+2e-(ii)Si(OH)4

+4e-+4H2OSi(OH)2-6+2H2(iii)(Diffusion)DanglingbondsOH-DiffusionTwooxygenatomsweakens/breaksTwobackbonds第九十二頁，共119頁。(2)<111>

planeOH-OneoxygenatomcannotbreaksThreebackbondsDanglingbond第九十三頁，共119頁。[110]x[100]y[010]Crystaletchingof<110>wafer<110><111>z[001]<111>"FundamentalofMicrofabrication,"MarcMadou第九十四頁，共119頁。x[100]y[010]Howabout<111>wafer?z[001]第九十五頁，共119頁。

EtchingstopTimedetching:notgoodfor<10ummembraneFactorsdeterminingetchingrate:temperature,concentration,aging,stirring,light,waferirregularity,surfacepreparation(1)V-groovetechnique(visualinspection:notsuitableformassproduction)第九十六頁，共119頁。(2)Boron(P+)etchstop>71019cm-3

etchingratedrops50times(EDP)1-20umcontrollableMembraneintension(B<Si)NoteffectivewithKOHncompatiblewithCMOSprocessmembranebeam第九十七頁，共119頁。ProcessDesign:Howtomakebeams?wafer(p)oxidationdopingpatterning(HF)ionimplantation&diffusionEDPcrystaletchingtopview第九十八頁，共119頁。AnisotropicEtchingRulesEtchingblockedby{111}(slowestetchingplane)Longtimeetching -Arbitraryshapeopening:surroundedby

largestpossiblerectangle -Island(mesa)mask:disappears!第九十九頁，共119頁。MasksSi3N4isbest,veryslowetchrate，Selectivity>1000SiO2works,selectivity?100MaskDesignKOHEtchesexposedcornersquicklyUsestarpatternorcreateinteriorcornerstocreateo