Wet-etching湿法腐蚀技术

微机械加工技术秦明微机械加工技术硅的湿法腐蚀微机械加工技术秦明内容•各向异性腐蚀•EDP，AmineGallate,TMAH,联氨•电化学腐蚀•硅各向同性腐蚀•腐蚀自停止微机械加工技术秦明湿法腐蚀•微机械主要是以硅为主体的，硅的加工主要采用湿法腐蚀实现•各向同性腐蚀给出的结构呈圆球状•各向异性腐蚀由于对111面腐蚀极慢，因此腐蚀得到的表面较平坦•搀杂可以用来停止腐蚀过程，例如P++在KOH•因为在一定的电势下，硅会产生阳极氧化，从而可用于腐蚀自停止微机械加工技术秦明与晶向相关的腐蚀•各向同性腐蚀所有方向的腐蚀速率是相同的横向腐蚀速率与纵向近似相等腐蚀速率与掩膜边缘无关•各向异性腐蚀腐蚀速率与晶面有关横向腐蚀速率可能大于也可能小于垂直腐蚀速率，取决于掩膜版与晶轴的夹角掩膜边缘与掩膜图形决定了最终腐蚀的形状可以用于制造复杂的结构若未仔细考虑，腐蚀结果会另人惊奇微机械加工技术秦明硅片识别–N-型硅片（Sb,As,P）–P-型轨片（B,Ga,In）注意基本边和二次边微机械加工技术秦明硅的各向异性腐蚀一般情况下，腐蚀速率：(100)(110)(111)(111)晶面族是各向异性腐蚀的停止面共有八个（111）晶面(100)硅片上各向异性腐蚀会形成三种基本结构V型槽四面体锥坑四面锥腔微机械加工技术秦明硅的各向异性腐蚀微机械加工技术秦明硅的各向同性和各向异性腐蚀微机械加工技术秦明硅的各向异性腐蚀微机械加工技术秦明硅的各向异性腐蚀-凸角和凹角•各向异性湿法腐蚀–凸角过腐蚀–凹角腐蚀停止在111交面微机械加工技术秦明各向异性腐蚀例典型腐蚀坑微机械加工技术秦明各向异性硅腐蚀液碱性腐蚀液，例如KOH,NaOH等，腐蚀可以得到较平滑的表面。在腐蚀液中加如异丙醇可以增加(100)和(111)的腐蚀速率比。腐蚀Al,有点腐蚀SiO2，基本不腐蚀nitrideEDP腐蚀液：和KOH类似，但有毒。不腐蚀金属（在某些情况下包含Al）和SiO2TMAH腐蚀液：和EDP类似但无毒，在某些情况下包含Al，不腐蚀SiO2●●●微机械加工技术秦明EDP腐蚀-1•乙二氨，邻苯二酚，水EthyleneDiaminePyrocatechol•或称为：EPW（EthyleneDiamine–Pyrocatechol–Water)•EDP腐蚀采用的掩膜材料：SiO2,Si3N4,Au,Cr,Ag,Cu,Ta;会腐蚀Al•晶向选择性：（111）：（100）~1：35•（100）硅的典型腐蚀速率：–70°C14um/hr–80°C20um/hr–90°C30um/hr–97°C36um/hr微机械加工技术秦明EDP腐蚀-2•典型配方:–1L乙二氨，NH2-CH2-CH2-NH2–160g邻苯二酚，C6H4(OH)2–6g,C4H4N2–133mLH2O•乙二氨的离化–NH2(CH2)2NH2+H2ONH2(CH2)2NH3++OH-•硅的氧化和水的减少-Si+2OH-+4H2OSi(OH)62-+2H2微机械加工技术秦明EDP腐蚀-3•需要回流冷凝装置以保证浓度的稳定•与MOS和CMOS工艺完全不兼容–专门容器回收–会锈任何金属–腐蚀表面会留下一层棕色的，难以去除•EDP对凸角的腐蚀比其它任何各向异性腐蚀液都快–常用于释放悬臂梁结构–腐蚀表面较光滑微机械加工技术秦明EDP腐蚀-4•EDP腐蚀会产生Si(OH)4的淀积，在Al压焊点上产生Al(OH)3•Moser的腐蚀后处理：–20sec,DIwaterrinse–120sec.Dipin5%(抗坏血酸)ascorbicacidandH2O–120sec,rinseinDIwater–60sec.Dipin(己烷)hexane,C6H14微机械加工技术秦明TMAH腐蚀•TetraMethylAmmoniumHydroxide四甲基氢氧氨•MOS和CMOS兼容-无碱性金属存在-对SiO2和Al腐蚀不明显•晶向选择性：（111）：（100）~1：10---1：35•典型配方-250mLTMAH(25%Aldrich)-375mLWater-22gSilicondust-90Cetching-1um/mininetchingrate微机械加工技术秦明硅的联氨腐蚀•也是各向异性腐蚀•典型配方–100mLN2H4–100mLH2O–2um/min,100C•联氨腐蚀很危险–威力很强的还原剂（火箭燃料）–易燃液体–易自燃-N2H4+H2O2N2+H2O(爆炸)微机械加工技术秦明电化学腐蚀效应-1微机械加工技术秦明电化学腐蚀效应-2•HF通常腐蚀SiO2,不腐蚀Si•通过正向偏置硅，空穴可以通过外部电路注入以氧化硅，进而被HF溶解•可以用Si3N4做掩膜，是抛光腐蚀•如果采用浓HF（48%HF）腐蚀，硅在腐蚀过程中不会完全氧化，最终形成棕色的多空硅微机械加工技术秦明电化学腐蚀效应-3微机械加工技术秦明电化学腐蚀效应-4•硅片的偏置电压超过OCP，空穴增加氧化加快腐蚀速率增加•若偏置电压进一步增加至钝化势PP，SiO2将形成–硅表面钝化，腐蚀停止–HF/H2O溶液不显示PP，因HF腐蚀SiO2微机械加工技术秦明电化学腐蚀例•用标准CMOS工艺，形成隔离的单晶硅岛•用“开”掩膜版留下硅区•采用适当的TMAH腐蚀液，使暴露的铝不被腐蚀•N阱偏置电压大于PP，使N阱不被腐蚀微机械加工技术秦明硅各向同性腐蚀•腐蚀过程包括：-反应物到表面的输运-表面反应-反应产物从表面的移走腐蚀受输运/扩散，或表面反应速率的限制•在任何湿法腐蚀中的关键因素：-氧化剂（例如H2O2,HNO3)-能溶解氧化表面的酸（HF）-输送反应物的媒介（H2O，CH3COOH）微机械加工技术秦明氧化还原反应•腐蚀是一种电化学过程•氧化是电子失去的过程，•还原则是电子增加的过程；•氧化还原反应：两种反应的竞争微机械加工技术秦明硅的HNA腐蚀-1•HF+HNO3+CH3COOH•各向同性腐蚀•总体反应：–Si+HNO3+6HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2–腐蚀过程是硅的氧化然后被HF溶解的过程–硅表面点随即变成氧化或还原点；类似于电化学电池微机械加工技术秦明硅的HNA腐蚀-2•硅在阳极附近失去电子转为强氧化态：-Si0+h2+Si2+•在阴极的NO2不断减少以产生空穴：–2NO22NO2-+2h+•硅和OH-反应生成SiO2:–Si2++2(OH)-Si(OH)2-+2SiO2+H2•SiO2被HF溶解形成H2SiF6：–SiO2+6HFH2SiF6+2HO2微机械加工技术秦明硅的HNA腐蚀-3•硝酸的作用–在水中正常溶解：HNO3HNO3-+H+–自催化以形成压硝酸和空穴HNO2+HNO3N2O4+H2ON2O4+HNO22NO2-+2h+2NO2-+2h+2HNO2–腐蚀剂必须到表面才能和膜反应或腐蚀–运动到表面的方式将影响到选择比,过刻,和均匀性•NO2是硅的有效氧化剂微机械加工技术秦明硅的HNA腐蚀-4•醋酸的作用–常用水代替CH3COOH–醋酸的电绝缘常数比水低CH3COOH6.15H2O81减少了硝酸的溶解，提高了氧化能力微机械加工技术秦明硅的HNA腐蚀-5微机械加工技术秦明硅的HNA腐蚀-6微机械加工技术秦明硅的HNA腐蚀-7•区1：高HF浓度区，腐蚀曲线平行于硝酸浓度刻度，腐蚀受硝酸控制。留下少部分氧化物•区2：高硝酸浓度区，腐蚀曲线平行于氢氟酸浓度刻度，腐蚀受氢氟酸控制。•区3：腐蚀受水的影响不大，当HF:HNO3=1:1时，腐蚀速率下降很快微机械加工技术秦明搀杂腐蚀自停止层-1•控制腐蚀的绝对深度通常很困难•腐蚀自停止层可以用来迅速减少腐蚀速率，达到一个比较精确的控制点•硼重搀杂在硅的腐蚀中最常用•一些腐蚀液的搀杂腐蚀特性：–HNA腐蚀随搀杂浓度增加而增加–KOH腐蚀：硼搀杂1020cm-3,速率减小20X–NaOH腐蚀：硼搀杂3x1020cm-3,速率减小10X–EDP腐蚀：硼搀杂7x1019cm-3,速率减小50X–TMAH腐蚀：硼搀杂1020cm-3,速率减小10X微机械加工技术秦明搀杂腐蚀自停止层-2微机械加工技术秦明搀杂腐蚀自停止层-3微机械加工技术秦明搀杂腐蚀自停止层-4