MEMS工艺(4体硅微加工技术)梁庭(1)

MEMS工艺——硅微加工工艺（腐蚀）梁庭3920330(o)[e-mail]内容腐蚀工艺简介湿法腐蚀干法刻蚀其他类似加工工艺腐蚀工艺简介腐蚀是指一种材料在它所处的环境中由于另一种材料的作用而造成的缓慢的损害的现象。然而在不同的科学领域对腐蚀这一概念则有完全不同的理解方式。在微加工工艺中，腐蚀工艺是用来“可控性”的“去除”材料的工艺。大部分的微加工工艺基于“Top-Down”的加工思想。“Top-Down”加工思想：通过去掉多余材料的方法，实现结构的加工。（雕刻——泥人）腐蚀工艺简介——腐蚀工艺重要性作为实现“去除”步骤的腐蚀工艺是形成特定平面及三维结构过程中，最为关键的一步。图形工艺掩模图形生成台阶结构生成衬底去除牺牲层去除清洁表面腐蚀工艺简介——腐蚀工艺作用腐蚀红光LED结构蓝光LED结构蓝宝石衬底红光LED结构蓝光LED结构蓝宝石衬底红光LED结构蓝光LED结构蓝宝石衬底红光LED蓝光LED结构蓝宝石衬底红光LED蓝光LED蓝宝石衬底红光LED蓝光LED蓝宝石衬底蓝光LED结构蓝宝石衬底红光LED结构湿法腐蚀湿法腐蚀——“湿”式腐蚀方法，基于溶液状态的腐蚀剂。湿法腐蚀工艺特点：设备简单，操作简便，成本低可控参数多，适于研发受外界环境影响大浓度、温度、搅拌、时间有些材料难以腐蚀湿法腐蚀——方向性各向同性腐蚀——腐蚀速率在不同方向上没有差别各向异性腐蚀——对不同的晶面的腐蚀速率有明显差别利用各向异性腐蚀特性，可以腐蚀出各种复杂的结构。各向异性腐蚀和各向同性腐蚀硅腐蚀方法：干法和湿法腐蚀方向选择性：各向同性和各向异性腐蚀材料选择性：选择性刻蚀或非选择性刻蚀选择方法：晶向和掩模多种腐蚀技术的应用：体硅工艺（三维技术），表面硅工艺（准三维技术）硅的各向异性腐蚀是利用腐蚀液对单晶硅不同晶向腐蚀速率不同的特性，使用抗蚀材料作掩膜，用光刻、干法腐蚀和湿法腐蚀等手段制作掩膜图形后进行的较大深度的腐蚀。机理：腐蚀液发射空穴给硅，形成氧化态Si+，而羟基OH-与Si+形成可溶解的硅氢氧化物的过程。硅的各向异性腐蚀技术各向异性(Anisotropy)各向异性腐蚀液通常对单晶硅(111)面的腐蚀速率与(100)面的腐蚀速率之比很大（1：400）湿法腐蚀的化学物理机制腐蚀——生长晶体生长是典型的各向异性表现。腐蚀作用：晶体生长的反过程湿法腐蚀的化学物理机制腐蚀过程：反应物扩散到腐蚀液表面反应物与腐蚀表面发生化学反应反应物的生成物扩散到溶液中去硅腐蚀机理（P62）SiSiSi2OH-SiSiSiOH-OH-2e-SiOH-OH-OH-OH-2e-2OH-4H2O4OH-2H2OH-离子的参与对Si的腐蚀至关重要，在这一过程中，由于（111）面的悬键只有1个，因而其电离所需的能量较高，导致（111）面的速率最低。{100}{111}总反应式为：悬键密度只是导致各向异性的一个因素，但不能解释不同晶面间腐蚀速率有几百倍这么大的差异。实际的腐蚀机制，还和表面的粗糙，微台阶处的阶跃自由能，以及和吸附、扩散过程密切相关的动力学因素有关。2H2OSiSiSiSiSiHHOH-HHHHSiOH-OH-（111面）（100面）缺陷由于（111）面为理想光滑表面，对该面进行腐蚀所需的电离能要大，而产生吸附和扩散所需的能量也比较高，并且在腐蚀过程中形成粗糙的几率比其他面要小很多。因而该面的腐蚀速率要小的多。各向异性腐蚀简单小结：粗糙晶面腐蚀比光滑晶面快。（111）面在腐蚀过程中会因表面重建或吸附变得更平坦，因而容易在腐蚀过程中显露出来。理想晶体平滑面腐蚀速率的激活能和化学反应的能量势差以及液体传输有关。前者的作用是各向异性的，后者是各向同性的。表面重构状态影响着腐蚀速率的变化不同的腐蚀剂中，不同阳离子会影响腐蚀过程中特殊面的稳定性，因而导致腐蚀结果不同。各向异性腐蚀的特点：腐蚀速率比各项同性腐蚀慢，速率仅能达到1um/min腐蚀速率受温度影响在腐蚀过程中需要将温度升高到100℃左右，从而影响到许多光刻胶的使用各向异性腐蚀液腐蚀液：无机腐蚀液：KOH,NaOH,LiOH,NH4OH等；有机腐蚀液：EPW、TMAH和联胺等。常用体硅腐蚀液：氢氧化钾(KOH)系列溶液；EPW(E：乙二胺，P：邻苯二酚，W：水)系列溶液。乙二胺(NH2(CH2)2NH2)邻苯二酚(C6H4(OH)2)水(H2O)1.KOHsystemKOH是目前在微机电领域中最常使用的非等向蚀刻液，为一碱金属之强碱蚀刻液，其金属杂质会破坏CMOS的氧化层电性，所以不兼容于IC制程；但因其价格低廉、溶液配制简单、对硅(100)蚀刻速率也较其它的蚀刻液为快，更重要的是操作时稳定、无毒性、又无色，可以观察蚀刻反应的情况，是目前最常使用的蚀刻液之一。1.KOHsystem溶剂：水，也有用异丙醇(IPA)溶液：20%-50%KOH温度：60–80ºC速率：~1um/分钟特点：镜面，易于控制，兼容性差232222HSiOKKOHOHSiKOH的刻蚀机理2.EDPsystemEthylenedamine为有机淡黄色溶液，加入pyrocatechol后颜色会变成暗褐色，随着反应的进行，颜色会加深，故不易观察蚀刻表面的反应过程，蚀刻速率也会改变，这是因为蚀刻液接触到空气中的氧氧化所引起，此一氧化过程会使得化合物pyrazine(C4H4N2)增加而改变其蚀刻速率；EDP不具碱金属离子，可与IC制程相容，且对蚀刻停止所需的硼掺杂浓度较低，大约为7x1019离子/cm-3，但是EDP具有毒性，蚀刻操作温度须在摄氏一百多度，危险性较高，操作及废液处理的困难度亦较高，故在一般微机电制程中不常使用。2.EDPsystemEPW[NH2(CH2)2NH2乙二胺，C6H4(OH2)2(邻苯二酚)，H2O]特点：蒸气有毒，时效较差，P+选择性好23246322224622222)()(2)(3)(2HOHCSiNHCHNHCHHCSiNHCHNHEDP腐蚀条件腐蚀温度：115℃左右反应容器在甘油池内加热，加热均匀；防止乙二胺挥发，冷凝回流；磁装置搅拌，保证腐蚀液均匀；在反应时通氮气加以保护。掩膜层：用SiO2，厚度4000埃以上。3、N2H4（联氨、无水肼）为有机、无色的水溶液，具有很强的毒性及挥发性，在50oC以上就会挥发，故操作时需在良好装置下及密闭容器中进行。其优点包括相容于IC制程，对于氧化硅(SiO)及氮化硅(SiN)等介电材料蚀刻率低，Ti、Al、Cr、Au及Pt等金属也无明显蚀刻反应，Ti和Al是目前最常用的金属材料，蚀刻时不需有其它的保护层，降低了制程的复杂性。4、TMAH氢氧化四钾铵为有机、无色之水溶液，原本为半导体制程中正胶的显影液，但目前亦应用于蚀刻制程中。TMAH的毒性低为其最大优点，对于SiO及SiN等介电材料蚀刻率低；对于Ti和Al有明显的蚀刻，在蚀刻组件前需加入适当的硅粉末，降低对铝的蚀刻率，亦可加入酸来降低蚀刻液的pH值，如酸与铝会发生化学反应生成硅铝酸盐，硅铝酸盐对蚀刻液有较好的抵抗能力，可以保护铝材的电路。TMAH的蚀刻反应过程会因操作参数不同而有极大的差异，且长时间蚀刻蚀刻液亦不稳定。此外，适用于硅微加工的高浓度TMAH(15%)价格高昂，都是无法广泛应用的原因。腐蚀设备继电器电源加热电炉搅拌器转子石英支架石英提篮硅片温控温度计磨沙密封口冷凝水入口冷凝水出口氮气入口氮气出口冷凝洄流管道甘油池腐蚀液冷凝水气体流量控制计氮气硅和硅氧化物典型的腐蚀速率材料腐蚀剂腐蚀速率硅在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影响腐蚀质量因素晶格方向腐蚀溶液的选择腐蚀溶液的浓度腐蚀时间操作温度温度搅拌方式转子硅片低速区高速区容器表面流速A表面流速B深度A深度B腐蚀液111面凹角停止100方向硅片的腐蚀特点110方向硅片的腐蚀特点(1)溶液及配比影响各向异性腐蚀的主要因素(2)温度各向同性腐蚀硅的各向同性腐蚀在半导体工艺中以及在微机械加工技术中有着极为广泛的应用。常用的腐蚀液为HF-HNO3加水或者乙酸系统。腐蚀机理为：首先是硝酸同硅发生化学反应生成SiO2，然后有HF将SiO2溶解。222623HOHHNOSiFHHFHNOSi优点：无尖角，较低应力刻蚀速度快可用光刻胶掩膜目前主要的各向同性腐蚀液为：NHA和HNWH：氢氟酸(HF)N：硝酸(HNO3)A：乙酸(CH3COOH)W:WaterEtchingBulkSilicon车轮法来测量平面上不同晶向的腐蚀速率（有局限性）更准确的反映腐蚀各向异性的是球形法（正相或负相）三、自停止腐蚀技术机理：EPW和KOH对硅的腐蚀在掺杂浓度小于11019cm-3时基本为常数，超过该浓度时，腐蚀速率与掺杂硼浓度的4次方成反比，达到一定的浓度时，腐蚀速率很小，甚至可以认为腐蚀“停止”。（1）重掺杂自停止腐蚀(KOH和EDP：51013/cm3)（2）(111)面停止（3）时间控制（4）P-N结自停止腐蚀（5）电化学自停止腐蚀重掺杂自停止腐蚀自停止腐蚀典型工艺流程硅光刻胶扩散层二氧化硅工艺路线（1）工艺路线（2）1、薄膜自停止腐蚀薄膜自停止腐蚀是指晶片刻蚀到最后，终止于其它不会被刻蚀所影响的薄膜，这层薄膜可以是氧化硅、氮化硅、富硅氮化硅、聚酰亚胺，甚至是金属。利用薄膜自停止腐蚀必须考虑刻蚀选择性，以及薄膜应力问题，因为应力太大将使薄膜发生破裂。2、重掺杂自停止腐蚀技术KOH对硅的腐蚀在掺杂浓度超过阈值浓N0(约为5×1019CM-3)时，腐蚀速率很小，轻掺杂与重掺杂硅的腐蚀速率之比高达数百倍，可以认为KOH溶液对重掺杂硅基本上不腐蚀。高掺杂硼有两个缺点：与标准的CMOS工艺不兼容导致高应力，使得材料易碎或弯曲重掺杂硼的硅腐蚀自停止效应比重掺杂磷的硅明显，所以工艺中常采用硼重掺杂硅作为硅腐蚀的自停止材料。重掺杂自停止腐蚀工艺流程3、（111）面自停止腐蚀KOH溶液对（100）和（111）面硅的腐蚀速率差别很大，可高达100～400倍，因此可利用（111）面作为停止腐蚀的晶面。（111）面自停止腐蚀工艺流程4、电化学自停止腐蚀电化学自停止腐蚀技术不需要重掺杂层，由于用了外延技术，因此腐蚀自停止层可以做的很厚。5、P－N结自停止腐蚀（1）电钝化腐蚀：各向异性腐蚀液（2）PN结自停止：P-SiN-Si腐蚀保护技术如果硅晶片表面已经形成一些图案，其中部分薄膜会被腐蚀液所影响，所以必须利用腐蚀保护技术来保护已完成的结构。目前常用的保护技术有两种：一是制作夹具或用胶将整个面保护住；另一种是淀积氮化硅将正面包住，待背后腐蚀完后再将氮化硅去除薄膜残余应力问题薄膜应力引起结构破裂的问题，主要分为两大类：第一类是制造过程的残留热应力、高温淀积后回归常温，由于热膨胀系数不同所产生的残留热应力；这种残留热应力可由高温退火的方式达到一定消除；第二类是薄膜间因膨胀系数不同造成的残余应力凸角腐蚀补偿凸角腐蚀是指在硅岛或硅梁的腐蚀成型过程中，凸角部分被腐蚀掉的现象，体硅各向异性腐蚀时经常出现，这是因为对(100)晶面的硅片体硅腐蚀时，凸角的边缘与[110]方向平行，而腐蚀液对此方向的腐蚀速度较快。若要腐蚀出带凸角的整齐的台面结构，必须采取凸角补偿。凸角腐蚀补偿重掺杂自停止腐蚀法当目标结构的厚度相对较薄时在加工结构前先在硅片上扩散自停止层，深度达到所需结构厚度，光刻后用干法腐蚀出结构图形，然后体硅腐蚀，准确得到设计的结构。目前比较常见的补偿方式（100）面双方块凸角腐蚀补偿（100）面双方块凸角腐蚀补偿（100）面双方块凸角腐蚀补偿