MEMS工艺(9腐蚀技术).ppt

MEMS工艺——体硅加工工艺（腐蚀） 石云波 3920397(O) shiyunbo@nuc.edu.cn 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 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。 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.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。 1.KOH system 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 KOH的刻蚀机理 2.EDP system 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7 x 1019 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.EDP system EPW[NH2(CH2)2NH2乙二胺，C6H4(OH2)2 (邻苯二酚)，H2O] EDP[ Ethylen Diamine, Procatechol, H2O] 特点：蒸 气有毒，时效较差， P+选择性好 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