MEMS湿法腐蚀工艺和过程

1第8章MEMS湿法腐蚀工艺和过程DavidW.Burns摘要：通过光刻胶或硬掩膜窗口进行的湿法化学腐蚀在MEMS器件制造的许多工艺过程中大量存在。本章针对400多种衬底和淀积薄膜的组合介绍了800多种湿法腐蚀配方,着重介绍了在大学和工业界超净间中常见的实验室用化学品。另外给出了600多个有关选择或开发制造MEMS器件的新配方的文献。也给出了近40个内部整合的材料和腐蚀特性的图表，方便读者迅速寻找和比较这些配方。有关目标材料和腐蚀特性的缩略语为方便比较都进行了统一。腐蚀速率和对其他材料的腐蚀选择性也给出了。除了重点讨论在MEMS领域常用的硅和其他常用材料外，III-V化合物半导体和更新的材料也有涉及。本章讨论主题涉及湿法腐蚀原理与过程；整合湿法腐蚀步骤的工艺方法；湿法腐蚀过程的评估和开发及侧重安全的设备和向代工厂转移的预期；氧化物，氮化物，硅，多晶硅，和锗各向同性腐蚀；标准金属腐蚀；非标准绝缘介质，半导体和金属腐蚀；光刻胶去除和硅片清洗步骤；硅化物腐蚀；塑料和聚合物刻蚀；硅各向异性刻腐蚀，体硅和锗硅自停止腐蚀；电化学腐蚀和自停止；光助腐蚀和自停止；薄膜自停止腐蚀；牺牲层去除；多孔硅形成；用于失效分析的层显；缺陷判定；针对湿法化学腐蚀的工艺和过程，给出了几个实际的案例。对器件设计人员和工艺研发人员，本章提供了一个实际和有价值的指导，以选择或发展一个对许多类型MEMS和集成MEMS器件的腐蚀。D．W．BurnsBurnsEngineering,SanJose,CA,USAe-mail:[e-mail]8.1引言很少有微机械化或集成化的器件是在没有进行一些湿法化学处理的情况下开发或制造的。不管器件是否是电气的，机械的，电子的，集成的，光学的，光电子学的，生物的，聚合的，微流控的传感器或执行器，有关这些器件的制造工艺或过程的替换决定将对最终的技术和商业成功有重要影响。这些器件通常在硅衬底、化合物半导体、玻璃、石英、陶瓷或塑性材料上制造，可能涉及在这些材料上淀积一层或多层薄膜并光刻和腐蚀。这些层和淀积顺序受工艺和用于开发和制造该器件的工艺单元限制，随着层数的增长变的越来越复杂和相互影响。湿法腐蚀是使用液态腐蚀剂系统化的有目的性的移除材料，在光刻掩膜涂覆后（一个曝光和显影过的光刻胶）或者一个硬掩膜（一个光刻过的抗腐蚀材料）后紧接该步腐蚀。这个腐蚀步骤之后，通常采用去离子水漂洗和随后的掩膜材料的移除工艺。湿法腐蚀可替换工艺包括干法刻蚀，即使用一种或多种低压力的反应气体，采用RF感应激励后进行反应，然后再将反应生成的气态物质抽出。非等离子干法刻蚀，例如双氟化疝或氢氟酸的酸性蒸气腐蚀，拥有各向同性湿法腐蚀的诸多特性，该腐蚀通常在一个有限的腔室内完成。近乎所有IC,MEMS,MOEMS,MST和NEMS类的器件的产生都很可能与一些湿法腐蚀工艺有关。整个工艺流程可被描述为一系列步骤或者序列，这些湿法腐蚀常用于选择性的去除淀积薄膜的一部分，剥去诸如硬掩膜和光刻胶等特定的材料，为以后的加工清洗和准备衬底，去除牺牲层和部分衬底，以及形成三维结构。一个湿法腐蚀工序需要考虑如下一些因素，包括有效的腐蚀剂，腐蚀选择性，腐蚀速率，各向同性腐蚀，材料的兼容性，工艺的兼容性，花费，设备的可用性，操作人员的安全，技术支持和适当的废物处理。尽管器件设计者，工艺设计师，或者制造商在工艺允许的情况下可能偏向使用一个完整的干法处理流程，但是许多标准的处理步骤例如光刻胶的显影和圆片清洗仍然湿法的。与干法刻蚀相比，湿法腐蚀工序在成本，速度，性能发面更有优势。干法刻蚀的仿真还不可用，如常用的微结构的选择性钻蚀或与2晶向相关的腐蚀仿真等。相比湿法腐蚀，人们可能更倾向于选择干法工艺，在一个装备好的工艺线或者如果湿法腐蚀效果不好的情况下尤其如此。不管怎样，对湿法加工来说，其优点是器件可以在相对低成本，低劳务管理费用或者低的技术支持下开发和制造。考虑到干法刻蚀要求在一个昂贵的等离子区或者RIE腐蚀系统里有长的腐蚀时间，湿法腐蚀变得特别有吸引力，需要同时处理整盒圆片（25片装圆片盒）或更多的圆片时，湿法腐蚀在成本和时间上的效益更突出。不管选择干法还是湿法加工工艺，总是强烈受到在特定的加工环境下设备的可用性及对开发者有用的工艺限制。成功的设计者，开发者和制造商几乎总是使用或修改趁手的工艺。除非是必须开发新工艺，安装新设备，或者取得新的工艺技能，一般总是避免额外的需求。理解什么时候要应用干法和湿法这两个工艺并且在可能的情况下使用标准工艺是很重要的。表8.1总结比较湿法和干法刻蚀之间的一般注意事项。表8.1湿法和干法刻蚀之间一般比较考虑干法刻蚀湿法腐蚀1存在腐蚀高高2腐蚀速率适中，可变高，可变3腐蚀均匀性适中，可变适中，可变4材料选择性低，可变谨慎选择下高5圆片产量适中高6掩膜选择性适中，可变谨慎选择下高7使用光刻胶掩膜高某些情况下不能用8光刻图形分辨率高适中9背面衬底暴露低高10腐蚀可靠性高适中；采用自动化可改进11腐蚀重复性高适中；采用自动化可改进12培训和维护适中低13操作者暴露于化学品低适中14单位工艺成本适中低15设备成本高低16设施成本高低本章开始对湿法腐蚀的原理及工艺过程等进行了概述，然后一节讨论湿法腐蚀设施和工艺为本地和远程用户服务的评价和开发应用。接下来的两节介绍在人工和实际部门中采用IC兼容材料和非标准材料的湿法腐蚀工艺，IC兼容材料已经被集成电路制造商普遍接受，非标准材料可能需要单独或专用设备，设施，后处理或其他特殊考虑。其他部分包括硅的各向异性腐蚀和腐蚀自停止，采用湿法腐蚀液的牺牲层去除，多孔硅形成，及分层湿法腐蚀和缺陷测定湿法腐蚀。湿法腐蚀技术和工艺的进一步讨论中可以在许多优秀的书籍和期刊[1-30]中找到。8.2湿法腐蚀原理和流程架构在典型的工艺和制造流程中，半导体和MEMS加工的许多工艺都可归类为淀积，光刻和腐蚀三类工艺。淀积工艺可能包括某些添加工艺如外延式生长，电子束蒸发，溅射，化学气相沉积（CVD），低压化学气相沉积（LPCVD），有机金属化学气相沉积法（MOCVD），等离子增强化学气相沉积（PECVD）或者包括其他工艺，如热氧化或离子注入。光刻工艺一般包括旋涂光刻胶和采用接触对准机，步进机，或使用规定的光致抗蚀剂厚度和曝光时间的电子束光刻机系统的曝光。尤其在薄膜高度变化大的情况下，光刻胶厚3度和曝光时间可根据需要进行调节，以确保获得足够的特征线条。腐蚀步骤一般基于等离子体或反应离子刻蚀。在干法刻蚀不可用或对一个特定的腐蚀工艺不恰当时，可以在流程中引入湿法腐蚀。通常是设计或开发一个MEMS器件时选择一个特定的湿法或干法刻蚀工艺，尽管当设备升级或转移到另一加工平台时这个选择可能被修改。如图8.1所示，对MEMS器件来说，已经有多种可用的或研制出来的工艺方法，如完全集成或完全定制的工艺，半定制或标准的MEMS工艺，其他已成熟工艺的变种，多个工艺平台上的工艺单元模块等。完全集成的MEMS流程可基于已建立的CMOS，BiCMOS工艺，或化合物半导体工艺。完全定制的流程一般是一个专用的工艺，掩膜次数极少，主要用于原型，最初的生产，或高产量的器件。半定制流程包括面向特定器件的MEMS工艺，该工艺可能位于集成电路工艺之前或之后，也可能是圆片级也可能是芯片级。标准MEMS工艺包括可靠的单层和多层多晶工艺，金属工艺，SOI或LIGA工艺，以及多用户和多器件工艺。工艺变种包括对已定型工艺相对轻微的调整，如起始材料的变化，薄膜厚度或腐蚀深度的微小变化，从一个标准的流程中消除无关光刻步骤。对于那些愿意将圆片在多个制造平台之间传递的人来说，工艺单元模块可能在一到多个具有专门加工能力的小工艺平台加工。这些平台在诸如薄膜沉积，外延生长或离子注入，光刻和腐蚀，化学机械抛光，和后道工艺切割和包装等方面有专长。如果需要，完全集成的和标准的MEMS工艺往往提供给用户选择任何腐蚀剂的决定权，因为这些加工工艺在一个特定的平台中已建立并规范化了。用户可能不知道或不需要知道这些腐蚀工艺的详细信息。一个完全集成的工艺范例是将集成电路工艺与认可的兼容MEMS工艺混合在一起。全定制的MEMS工艺选择湿法和干法刻蚀工艺最自由，对于早期的器件开发，器件只需要几个光刻版，非常高产量的器件尤其如此。半定制工艺允许MEMS工艺放在已经制造的有源器件（即CMOS）工艺之前，更多放在之后，给开发人员选择湿法或干法刻蚀工艺的机会，以满足特定的薄膜刻蚀的要求。工艺变化可包括对腐蚀步骤进行修改，以满足薄膜腐蚀的要求。工艺单元的用户在湿法工艺的选择和使用方面最有发言权。图8.1针对MEMS器件的工艺方案，包括全集成工艺、对标准集成电路或MEMS工艺的修改、半定制和全定制工艺、标准（如多器件和多用户）MEMS工艺及工艺单元。湿法腐蚀工艺可以由所选工艺方案决定，对适合标准和全集成工艺的器件尤其如此。特殊的湿法腐蚀工艺可能需要选择工艺参数、半定制、全定制或工艺单元。许多公司提供代工服务，代工范围包括从任何地方单步加工工艺、工艺模块到成熟的已建立流程。一些较大的代工厂提供MEMS服务，如有变更，请参考文献[31]。例如，用户可能会提交一个CAD设计到外包服务，该服务可以提供对各种材料的顶部进行多层电镀形成多层金属结构[32]。通过网上搜索，或与行业专家和代工厂的代表交流可以找到一些提供工艺单元的代工厂。4图8.2湿法腐蚀选择和开发原则包括：确定有效性，显示出重复性和可靠性，如果可能采用已有工艺，确保工艺兼容和评估成本选择湿腐蚀工艺模块需要多方面的考虑，其中一些如图8.2所示。对特定器件的一般工艺流程开发之后，腐蚀工艺要进行评估看是否应该是湿法或干法刻蚀。湿法腐蚀的第一选择原则是，基于腐蚀选择性，腐蚀速率，侧壁上的工艺要求确定候选的腐蚀液或腐蚀工艺的有效性。选择性必须足够高以便在对掩膜材料损伤最小的情况下能刻蚀所想要刻的材料，并且任何暴露出来的要刻蚀材料必须被刻干净。在可能的情况下，腐蚀速率应选择在2-5分钟左右完成腐蚀：腐蚀时间要足够长以便将插入圆片和润湿的影响降到最小，时间又要足够短，以保持工作流程恰当和降低工艺单元成本。专用腐蚀，如牺牲层腐蚀或衬底的各向异性刻蚀，可能需要几个小时或更长时间。选择湿法腐蚀时，侧壁可以是一个重要的考虑因素。湿法腐蚀和干法刻蚀相比，能显著钻蚀掩膜图案。在湿法腐蚀中，精细线条，如相邻线和间隔等可能会完全消失。对暗场掩膜来说，钻蚀也会导致器件特征尺寸变宽，影响设计规则，并在某些情况下限制了芯片尺寸。在某些情况下，一般用湿法腐蚀产生的斜侧壁是有利的，它能允许后续薄膜沉积和图案有更好的台阶覆盖。湿法腐蚀的第二个选择原则是，可证明重复性，可靠性，湿法腐蚀的鲁棒性。举例来说，一个挑剔的腐蚀工艺要求操作者特别关注，甚至轻微的腐蚀变化就可以毁掉整个工艺。一个良好的湿法腐蚀工艺必须有过腐蚀的能力，允许5-15％或以上的过腐蚀余量，同时对器件性能和产量的影响微乎其微。一个理想的湿法腐蚀有自停止特性的过腐蚀能力，对其他暴露材料有近无限的选择性。腐蚀工艺的一个更有利的优点是对操作者控制的腐蚀有一个可见的腐蚀终止点和能在线验证被腐蚀薄膜或底膜的薄膜厚度，这确保了所选材料在目标区域内彻底被腐蚀掉。湿法腐蚀通常对腐蚀温度，腐蚀液浓度，以前的使用量，腐蚀剂年龄，腐蚀剂的蒸发或在腐蚀液中的稀释，腐蚀剂要腐蚀的晶圆数量、包括基板背面的暴露面积的百分比，特征尺寸，薄膜的成分，薄膜形貌，退火历史，表面污染，表面残留物，孵化时间，搅拌，室内照明，对每一个可靠的腐蚀工艺控制的认真态度等都敏感。如果腐蚀太慢；对其他掩膜材料和衬底的选择性不足；缺乏均匀性;针对后续衬底加工存在污染问题;产生不想要的化合物；残留物，或蚀点；引起裂缝，肿胀，脱皮，或掩膜层的过度钻蚀；或需要笨重的存储，处理，处置，安全和设施考虑，可以考虑取消用该腐蚀液。虽然湿法腐蚀可能提供比干法刻蚀更高的对掩膜材料的选择性，但他们也可能对膜的组成和退火更敏感。湿法腐蚀的第三个选择原则是尽可能地使用现有的工艺。加工中心一般都会有某些材料(如二氧化硅)和金属(如铝