各向异性刻蚀LIGA工艺牺牲层技术硅的各向同性刻蚀湿法课件.ppt

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1、Micro-System湿法刻蚀技术a．各向同性刻蚀b．各向异性刻蚀LIGA工艺牺牲层技术硅的各向同性刻蚀(湿法)湿法刻蚀是微系统中材料去除技术的一种，尤其在体硅去除上占据重要地位。硅的湿法刻蚀是先将材料氧化，然后通过化学反应使一种或多种氧化物溶解。在同一刻蚀液中，由于混有各种试剂，所以上述两个过程是同时进行的。这种氧化化学反应要求有阳极和阴极，而刻蚀过程没有外加电压，所以半导体表面上的点便作为随机分布的局域化阳极和阴极。由于局域化电解电池作用，半导体表面发生了氧化反应并引起相当大的腐蚀电流(有报导超过100A/cm2).每一个局域化区(大于原子尺度)在一段时间

2、内既起阳极又起阴极作用。如果起阳极和起阴极作用的时间大致相等，就会形成均匀刻蚀，反之，若两者的时间相差很大，则出现选择性腐蚀。半导体表面的缺陷、腐蚀液温度和腐蚀液所含的杂质，以及半导体-腐蚀液界面的吸附过程等因素对腐蚀的选择性和速率多会有很大的影响。用于这种化学腐蚀的试剂很多，但是最常用的是HF-HNO3腐蚀系统，因为它可以避免金属离子的玷污。各向同性刻蚀的原理对于HF、HNO3和H2O(或IPA，即异丙醇)刻蚀液，硅表面的阳极反应为Si+2e+>>>Si2+这里e+表示空穴，即Si得到空穴后从原来的状态升到较高的氧化态。腐蚀液中的水解离反应为H2O==(OH)

3、-+H+Si+与(OH)-接合，成为Si2++2(OH)->>>Si(OH)2接着Si(OH)2放出H2并形成SiO2,即Si(OH)2>>>>SiO2+H2由于腐蚀液中存在HF，所以SiO2立即与HF反应，反应式为SiO2+6HF>>>H2SiF6+2H2O通过搅拌可使溶性络合物H2SiF6远离硅片，因此称这一反应为络合化反应。显然，HF的作用在于促进阳极反应，使阳极反应产物SiO2溶解掉。不然，所生成的SiO2就会阻碍硅的电极反应。HNO3的作用可见，阳极反应需要空穴，这可由HNO3在局域阴极处被还原而产生。在HNO2杂质存在时，反应按下式进行HNO2+HN

4、O3>>>>N2O4+H2ON2O4=2NO22NO2=2NO2-+2e+2NO2-+2H+=2HNO2最后式中所产生的HNO2再按第一式反应，反应生成物则自身促进反应，因此这是自催化反应。第一式反应是可逆控制反应，故有时加入含有NO2-的硝酸铵以诱发反应。因为NO2-在反应中是再生的，所以氧化能力取决于未离解的HNO3的数量。整个刻蚀反应有一个孕育期，孕育期间HNO2开始自催化，紧接着是HNO2的阴极还原反应，它不断提供空穴参加氧化反应。氧化产物在HF中反应，形成可溶性络合物H2SiF6。所有这些过程都发生在单一的腐蚀混合液中，整个反应式为Si+HNO3+6H

5、F>>>H2SiF6+HNO2+H2O+H2温度等对各向同性刻蚀的影响不同表面取向的衬底(N型，3Ω-cm)在高HNO3区的几种配比下，刻蚀速率与温度的关系。由于在高HNO3区化学反应是自催化的，所以有无外部催化的曲线重合。可以看出，腐蚀速率随温度升高而增大；衬底不同，表面取向对腐蚀速率影响甚微，可认为是各向同性的刻蚀。由于在高HNO3区，化学反应受HF的浓度影响，因此HF浓度越高，腐蚀速率越大。高HF区的刻蚀速率与温度的关系。对于高HF区，腐蚀速率与衬底取向无关，有外部催化较之无外部催化的刻蚀速率大。在该区，化学反应受HNO3浓度的影响，HNO3浓度越高，刻蚀

6、速率越大。刻蚀速率随温度的变化分为两个线性段，低温区刻蚀速率随温度的变化较之高温区的变化快。硅在未稀释的HF+HNO3系统中的腐蚀速率示于上图，可见，腐蚀液成分相当于电化学当量比时，腐蚀速率最快，也即在相当于68%HF和32%HNO3时出现最大值，为28um/s。三角形配方图的阅读方法：所取的点到该成分所在角相对的三角形边的距离占三角形高的百分比即为该成分的含量。各向异性腐蚀硅的各向异性腐蚀，是指对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率。基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种各样的微结构。各向异性腐蚀剂一般分为两类，一类是有机腐蚀剂，包括EPW（乙二胺)，EDP(邻苯

7、二酚)和TMAH(四甲基氢氧化氨)等，另一类是无机腐蚀剂，即碱性腐蚀液，如KOH，NaOH，LiOH，CsOH和NH4OH等。这两类腐蚀剂具有非常类似的腐蚀现象，本讲重点介绍KOH对硅的腐蚀特性，其余的仅列出其常用的腐蚀剂配比。鉴于在硅衬底上加工微结构时，常以SiO2和Si3N4作为掩膜，介绍EPW和KOH对SiO2的腐蚀特性。对于硅的各向异性刻蚀机制，虽然很早就开始研究，但是迄今仍然不十分清楚。早期的研究认为，硅不同晶面的悬挂健密度可能在各向异性腐蚀中起主要的作用，如硅单晶{111}是原子密排面，面上自由健少，化学稳定性高，整个面的刻蚀速度小，而{100}面和

8、{110}面不是密排面，