MEMS工艺—— 硅微加工工艺（腐蚀）
梁 庭
3920330(o) Liangting@
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。
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
（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
Si HNO3 HF H 2 SiF6 HNO2 H 2O H 2
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HNW
H：氢氟酸(HF)
N：硝酸(HNO3)
A：乙酸(CH3COOH)
W: Water
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11019cm-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”。
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。
氮气出口 冷凝水出口
Hale Waihona Puke 腐蚀设备冷凝洄流管道 冷凝水 温控温度计 冷凝水入口
氮气
气体 流量 控制 计
磨沙密封口
氮气入口
硅片 腐蚀液 甘油池 石英提篮 石英支架 搅拌器转子 加热电炉
继电器 电源
硅和硅氧化物典型的腐蚀速率
材料 硅在<100>晶向 腐蚀剂 KOH 腐蚀速率 0.25-1.4m/min
硅在<100>晶向 二氧化硅 二氧化硅
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
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：
2 NH 2 (CH 2 ) 2 NH 2 Si 3C 6 H 4 (CH 2 ) 2 NH 2 (CH 2 ) 2 NH Si(C 6 H 4 O2 ) 3 2 H
3 2
EDP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； 磁装臵搅拌，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 臵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。
氮化硅 氮化硅
EDP KOH EDP
KOH EDP
0.75m/min 40-80nm/h 12nm/h
5nm/h 6nm/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
表面流速A
操作温度温度
转子 硅片 深度A 低速区
表面流速B
搅拌方式
深度B 高速区 腐蚀液 容器
100方向硅片的腐蚀特点
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。
1.KOH system
溶剂：水，也有用异丙醇(IPA) 溶液：20% - 50% KOH 温度： 60 – 80º C 速率：~1um/分钟 特点：镜面，易于控制，兼容性差
Si H 2 O 2 KOH K 2 SiO3 2 H
2
2.EDP system
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
腐蚀工艺简介——腐蚀工艺重要性
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） 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。
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：
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.KOH system
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。
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。
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
111面凹角停止
110方向硅片的腐蚀特点
影响各向异性腐蚀的主要因素
(1) 溶液及配比
(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SiO 2，然后 有HF将SiO 2溶解。
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。
重掺杂自停止腐蚀
（1） 重掺杂自停止腐蚀(KOH 和EDP：51013/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
自停止腐蚀典型工艺流程
工艺路线（1）
硅 光刻胶 扩散层 二氧化硅
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。
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。
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；