MEMS工艺(9腐蚀技术)

MEMS工艺——体硅加工工艺（腐蚀）石云波3920397(O)[e-mail]主要内容湿法腐蚀各向异性各向同性自停止腐蚀技术凸角补偿技术干法刻蚀深槽技术一、体硅微制造体硅微制造广泛应用于微型传感器和加速计的制造上通过基底材料的去除（通常是硅晶片），来形成想要的三维立体的微结构。腐蚀技术概述因为缺乏对工件形状的控制手段，各向同性腐蚀在微加工生产中总是很难达到技术要求体硅腐蚀包括:各向异性腐蚀和各向同性腐蚀各向异性腐蚀的不足：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湿法腐蚀简介各向异性腐蚀各向同性腐蚀自停止腐蚀技术简介材料刻蚀是微纳技术的最重要手段之一，在进行新工艺设计时，了解各种材料的刻蚀速率和腐蚀特性是极为重要的前提。微技术的出现，加快了各种腐蚀技术特别是硅腐蚀技术的研究步伐。硅腐蚀方法主要有两种：干法和湿法腐蚀特性主要有：各向同性和各向异性腐蚀的控制：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）硅刻蚀的技术是将被腐蚀材料先氧化，然后由化学反应使其生成一种或多种氧化物再溶解。在同一腐蚀液中，由于混有各种试剂，所以上述两个过程是同时进行的。体硅各向异性腐蚀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。体硅各向异性腐蚀技术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），因为：水分子的屏蔽作用，(111)面有较高的原子密度，水分子容易附着在(111)面上；(100)面每个原子具有两个悬挂键，而(111)面每个原子只有一个悬挂键，移去(111)面的原子所需的能量比(100)面要高。不同的晶面悬挂键密度（表面态密度）{100}{111}腐蚀窗口短边存在最小尺寸：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pyrocatochol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]EDP[EthylenDiamine,Procatechol,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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反应机制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，RE/RD~100)（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、聚亚酰胺，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湿法腐蚀的缺点：图形受晶向限制，深宽比较差，倾斜侧壁，小结构粘附。四、干法腐蚀侠义的干法刻蚀主要是指利用等离子体放电产生的化学过程对材料表面的加工广义上的干法刻蚀则还包括除等离子体刻蚀外的其它物理和化学加工方法，例如激光加工、火花放电加工、化学蒸汽加工以及喷粉加工等。干法刻蚀的优点：具有分辨率高、各向异性腐蚀能力强、腐蚀的选择比大、能进行自动化操作等干法刻蚀的过程：腐蚀性气体离子的产生离子向衬底的传输衬底表面的腐蚀腐蚀反应物的排除干法腐蚀的主要形式：*纯化学过程：（等离子体腐蚀)*纯物理过程：(离子刻蚀、离子束腐蚀）*物理化学过程：反应离子腐蚀RIE，离子束辅助自由基腐蚀ICP.在物理腐蚀方法中，利用放电时所产生的高能惰性气体离子对材料进行轰击，腐蚀速率与轰击粒子的能量、通量密度以及入射角有关；在化学腐蚀中，惰性气体（如四氟化碳）在高频或直流电场中受到激发并分解（如形成氟离子），然后与被腐蚀材料起反应形成挥发性物质；在物理化学结合的方法中，既有粒子与被腐蚀材料的碰撞，又有惰性气体与被腐蚀材料的反应。反应离子刻蚀反应离子刻蚀（Reactiveionetch）是在等离子中发生的。随着材料表层的“反应－剥离－排放”周期循环，材料被逐层刻蚀到制定深度。衡量反应离子刻蚀的指标：掩模的刻蚀比刻蚀的各向异性程度其它：刻蚀速率、刻蚀均匀性等等离子腐蚀利用气体辉光放电电离和分解稳定的原子所形成的离子和活性物质，与被腐蚀的固体材料作用，产生挥发性的物质或气态产品。刻蚀过程主要是化学反应刻蚀，是各向同性的，主要作为表面干法清洗工艺。1.现象（1）各向同性腐蚀（2）各向异性腐蚀（3）溅射腐蚀等离子体腐蚀的主要现象和特点（1）速率高（2）环境清洁，工艺兼容性好。（3）掩膜