MEMS工藝(9腐蝕技術(shù))

MEMS工藝——

體硅加工工藝〔腐蝕〕石云波3920397(O)主要內(nèi)容濕法腐蝕各向異性各向同性自停止腐蝕技術(shù)凸角補償技術(shù)干法刻蝕深槽技術(shù)一、體硅微制造體硅微制造廣泛應(yīng)用于微型傳感器和加速計的制造上通過基底材料的去除〔通常是硅晶片〕，來形成想要的三維立體的微結(jié)構(gòu)。腐蝕技術(shù)概述因為缺乏對工件形狀的控制手段，各向同性腐蝕在微加工生產(chǎn)中總是很難到達(dá)技術(shù)要求體硅腐蝕包括:各向異性腐蝕和各向同性腐蝕各向異性腐蝕的缺乏：腐蝕速率比各項同性腐蝕慢，速率僅能到達(dá)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濕法腐蝕簡介各向異性腐蝕各向同性腐蝕自停止腐蝕技術(shù)簡介材料刻蝕是微納技術(shù)的最重要手段之一，在進行新工藝設(shè)計時，了解各種材料的刻蝕速率和腐蝕特性是極為重要的前提。微技術(shù)的出現(xiàn)，加快了各種腐蝕技術(shù)特別是硅腐蝕技術(shù)的研究步伐。硅腐蝕方法主要有兩種：干法和濕法腐蝕特性主要有：各向同性和各向異性腐蝕的控制：選擇性刻蝕或非選擇性刻蝕選擇方法：晶向和掩模多種腐蝕技術(shù)的應(yīng)用：體硅工藝〔三維技術(shù)〕，外表硅工藝〔準(zhǔn)三維技術(shù)〕硅刻蝕的技術(shù)是將被腐蝕材料先氧化，然后由化學(xué)反響使其生成一種或多種氧化物再溶解。在同一腐蝕液中，由于混有各種試劑，所以上述兩個過程是同時進行的。體硅各向異性腐蝕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，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。機理：腐蝕液發(fā)射空穴給硅，形成氧化態(tài)Si+，而羥基OH-與Si+形成可溶解的硅氫氧化物的過程。體硅各向異性腐蝕技術(shù)各向異性(Anisotropy)各向異性腐蝕液通常對單晶硅(111)面的腐蝕速率與(100)面的腐蝕速率之比很大〔1：400〕，因為：水分子的屏蔽作用，(111)面有較高的原子密度，水分子容易附著在(111)面上；(100)面每個原子具有兩個懸掛鍵，而(111)面每個原子只有一個懸掛鍵，移去(111)面的原子所需的能量比(100)面要高。不同的晶面懸掛鍵密度〔外表態(tài)密度〕{100}{111}腐蝕窗口短邊存在最小尺寸：各向異性腐蝕液腐蝕液：無機腐蝕液：KOH,NaOH,LiOH,NH4OH等；有機腐蝕液：EPW、TMAH和聯(lián)胺等。常用體硅腐蝕液：氫氧化鉀(KOH)系列溶液；EPW(E：乙二胺，P：鄰苯二酚，W：水)系列溶液。乙二胺(NH2(CH2)2NH2)鄰苯二酚(C6H4(OH)2)水(H2O)1.KOHsystemKOH是目前在微機電領(lǐng)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(zhì)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，可以觀察蝕刻反響的情況，是目前最常使用的蝕刻液之一。1.KOHsystem溶劑：水，也有用異丙醇(IPA)溶液：20%-50%KOH溫度：60–80oC速率：~1um/分鐘特點：鏡面，易于控制，兼容性差KOH的刻蝕機理2.EDPsystemEthylenedamine為有機淡黃色溶液，參加pyrocatochol后顏色會變成暗褐色，隨著反響的進行，顏色會加深，故不易觀察蝕刻外表的反響過程，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7x1019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.EDPsystemEPW[NH2(CH2)2NH2乙二胺，C6H4(OH2)2(鄰苯二酚)，H2O]EDP[EthylenDiamine,Procatechol,H2O]特點：蒸氣有毒，時效較差，P+選擇性好EDP腐蝕條件腐蝕溫度：115℃左右反響容器在甘油池內(nèi)加熱，加熱均勻；防止乙二胺揮發(fā)，冷凝回流；磁裝置攪拌，保證腐蝕液均勻；在反響時通氮氣加以保護。掩膜層：用SiO2，厚度4000埃以上。3、N2H4

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響，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(fù)雜性。4、TMAH

氫氧化四鉀銨為有機、無色之水溶液，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，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，在蝕刻組件前需參加適當(dāng)?shù)墓璺勰档蛯︿X的蝕刻率，亦可參加酸來降低蝕刻液的pH值，如酸與鋁會發(fā)生化學(xué)反響生成硅鋁酸鹽，硅鋁酸鹽對蝕刻液有較好的抵抗能力，可以保護鋁材的電路。TMAH的蝕刻反響過程會因操作參數(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(yīng)用的原因。腐蝕設(shè)備硅和硅氧化物典型的腐蝕速率材料腐蝕劑腐蝕速率硅在<100>晶向KOH0.25-1.4

m/min硅在<100>晶向EDP0.75

m/min二氧化硅KOH40-80nm/h二氧化硅EDP12nm/h氮化硅KOH5nm/h氮化硅EDP6nm/h影響腐蝕質(zhì)量因素反響機制反響物擴散到腐蝕液外表反響物與腐蝕外表發(fā)生化學(xué)反響反響物的生成物擴散到溶液中去影響腐蝕質(zhì)量因素晶格方向腐蝕溶液的選擇腐蝕溶液的濃度腐蝕時間操作溫度溫度攪拌方式

111

面凹角停止

100

方向硅片的腐蝕特點

110

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(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)。腐蝕機理為：首先是硝酸同硅發(fā)生化學(xué)反響生成SiO2，然后有HF將SiO2溶解。優(yōu)點：無尖角，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:WaterEtchingBulkSilicon三、自停止腐蝕技術(shù)機理：EPW和KOH對硅的腐蝕在摻雜濃度小于11019cm-3時根本為常數(shù)，超過該濃度時，腐蝕速率與摻雜硼濃度的4次方成反比，到達(dá)一定的濃度時，腐蝕速率很小，甚至可以認(rèn)為腐蝕“停止”?！?〕重?fù)诫s自停止腐蝕(KOH和EDP：51013/cm3，RE/RD~100)〔2〕(111)面停止〔3〕時間控制〔4〕P-N結(jié)自停止腐蝕〔5〕電化學(xué)自停止腐蝕自停止腐蝕典型工藝流程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、聚亞酰胺，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(yīng)力問題，因為應(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對硅的腐蝕在摻雜濃度超過閾值濃N0(約為5×1019CM-3)時，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溶液對重?fù)诫s硅根本上不腐蝕。高摻雜硼有兩個缺點：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〔100〕和〔111〕面硅的腐蝕速率差異很大，可高達(dá)100～400倍，因此可利用〔111〕面作為停止腐蝕的晶面?！?11〕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、P－N結(jié)自停止腐蝕〔1〕電鈍化腐蝕：各向異性腐蝕液〔2〕PN結(jié)自停止：P-SiN-Si腐蝕保護技術(shù)如果硅晶片外表已經(jīng)形成一些圖案，其中局部薄膜會被腐蝕液所影響，所以必須利用腐蝕保護技術(shù)來保護已完成的結(jié)構(gòu)。目前常用的保護技術(shù)有兩種：一是制作夾具或用膠將整個面保護??；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剩余應(yīng)力問題薄膜應(yīng)力引起結(jié)構(gòu)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(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到達(dá)一定消除；第二類是薄膜間因膨脹系數(shù)不同造成的剩余應(yīng)力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，凸角局部被腐蝕掉的現(xiàn)象，體硅各向異性腐蝕時經(jīng)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。假設(shè)要腐蝕出帶凸角的整齊的臺面結(jié)構(gòu)，必須采取凸角補償。凸角腐蝕補償重?fù)诫s自停止腐蝕法當(dāng)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的厚度相對較薄時在加工結(jié)構(gòu)前先在硅片上擴散自停止層，深度到達(dá)所需結(jié)構(gòu)厚度，光刻后用干法腐蝕出結(jié)構(gòu)圖形，然后體硅腐蝕，準(zhǔn)確得到設(shè)計的結(jié)構(gòu)。目前比較常見的補償方式〔100〕面雙方塊凸角腐蝕補償〔100〕面雙方塊凸角腐蝕補償〔100〕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，傾斜側(cè)壁，小結(jié)構(gòu)粘附。四、干法腐蝕俠義的干法刻蝕主要是指利用等離子體放電產(chǎn)生的化學(xué)過程對材料外表的加工廣義上的干法刻蝕那么還包括除等離子體刻蝕外的其它物理和化學(xué)加工方法，例如激光加工、火花放電加工、化學(xué)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(chǎn)生離子向襯底的傳輸襯底外表的腐蝕腐蝕反響物的排除干法腐蝕的主要形式：*純化學(xué)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(xué)過程：反響離子腐蝕RIE，離子束輔助自由基腐蝕ICP.在物理腐蝕方法中，利用放電時所產(chǎn)生的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(guān)；在化學(xué)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響形成揮發(fā)性物質(zhì)；在物理化學(xué)結(jié)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響。反響離子刻蝕反響離子刻蝕〔Reactiveionetch〕是在等離子中發(fā)生的。隨著材料表層的“反響－剝離－排放”周期循環(huán)，材料被逐層刻蝕到制定深度。衡量反響離子刻蝕的指標(biāo)：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(zhì)，與被腐蝕的固體材料作用，產(chǎn)生揮發(fā)性的物質(zhì)或氣態(tài)產(chǎn)品。刻蝕過程主要是化學(xué)反響刻蝕，是各向同性的，主要作為外表干法清洗工藝。1.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，工藝兼容性好?！?〕掩膜選擇性好>300：1〔4〕外表形貌好，無應(yīng)力集中現(xiàn)象〔5〕無晶向限制主要特點〔1〕好的截面形狀，易于滿足鑄模要求?！?〕高的腐蝕速率，適于體硅要求?！?〕利用各向同性腐蝕，滿足犧牲層腐蝕要求?！?〕可用于活動結(jié)構(gòu)制作。〔5〕可用于高深寬比結(jié)構(gòu)制作。適應(yīng)性反響離子深刻蝕改善刻蝕的方向性，即各向異性，一直是反響離子刻蝕技術(shù)開展過程中不懈追求的目標(biāo)。完全化學(xué)刻蝕是各向同性的，完全的物理刻蝕雖然有很好的方向性，但有很差的選擇性，即掩模本身經(jīng)受不了長時間的刻蝕。電感耦合等離子體原〔ICP〕，Bosch工藝反響離子深刻蝕的要求：需要較高的刻蝕速率，否那么科穿500um厚的硅片需要太長的時間；需要極好的各向異性，即刻蝕的邊壁垂直。除了離子物理濺射之外，反響離子刻蝕從本質(zhì)上是各向同性，為了阻止或減弱側(cè)向刻蝕，只有設(shè)法子刻蝕的側(cè)向邊壁沉積一層抗刻蝕的膜。Bosch工藝所謂Bosch工藝就是在反響離子刻蝕的過程中，不斷在邊壁上沉積抗刻蝕層或邊壁鈍化離子濺射刻蝕離子濺射刻蝕是純粹的物理刻蝕過程，氬氣是最通用的離子源氣體。