第五讲 自停止技术及其应用.docx

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第五讲自停止技术及其应用

第五讲：

自停止技术及湿法硅加工技术的应用

单从刻蚀反应的均匀性考虑，利用体硅刻蚀制备微米级硅薄膜是困难的。

单晶硅薄膜结构拥有广泛的用途：

谐振腔的梁或者壁膜，压力传感器的形变膜，加速度传感器的梁，微泵阀的运动腔壁膜及阀膜等，它们的厚度直接影响或者决定了器件的工作性能。

除此之外，膜的均匀性和完整性同样重要，所以必须开发能够精确控制膜厚的自停止刻蚀技术。

1．轻掺杂自停止技术

特点：

工艺简单，操作性好，易于得到结晶性良好的大面积硅膜，但是缺陷会导致不均匀甚至腐蚀坑

2．重掺杂自停止技术：

在各向异性腐蚀中，腐蚀速度会因重掺杂而受到抑制，遂构成了一种自终止技术的基础。

可以得到大面积平滑硅膜，但是重掺杂使之电学性能不能再制作有源器件。

3．电化学自停止

在稀的氢氟酸体系中，重掺杂往往先腐蚀，所以，其中的电化学终止层只能是轻掺杂，从上图可见，N型硅在没有光照的条件下阳极化不产生电流，所以，可以作为电化学刻蚀的终止层。

借助外延生长轻掺杂硅膜，便可以借助轻度阳极化实现薄膜硅制备。

在碱性体系中，硅的极化电流曲线如下：

它们都有阳极化钝化的特征。

当偏置电压达到电流最大值电位之后，刻蚀界面迅速钝化，形成保护，阻止反应继续。

钝化的特征参数与掺杂浓度有关

重掺杂阳极化很难活化，直接进入过钝化区，这与重掺杂硅各向异性刻蚀自终止现象相一致

影响自终止的因素除了掺杂，晶面，温度，刻蚀液的浓度和类型等都会发挥作用。

电化学自终止的控制装置是常规的三电极电化学电解池体系，其中研究电极接待刻蚀的硅，参比电极多采用Hg/Hg2O电极，辅助电极一般采用Pt片电极。

控制研究电极与参比电极之间的电位差，就可以设定硅片的电位，使之需要的部分处于钝化状态。

其实，选择性的自终止刻蚀多与PN结有关，更为重要的是PN结控制的选择性终止层技术

PN结控制腐蚀终止层

该方法实质上利用的仍然是各向异性刻蚀的电化学钝化现象，只是利用PN结使一部分硅结构处于反应活化状态，而另一部分则处于钝化电位。

该方法有别于电钝化之处在于界面确定可靠，不一定与偏压直接对应。

三种电化学刻蚀体系：

四电极体系：

将研究电极接到被刻蚀的P型部分，而研究电极和N型硅部分之间施加固定的电压，这样可以确保N型部分完全处于钝化电位而不会受PN结反向漏电流的影响，因此它的控制精度更高。

注入损伤终止：

借助注入损伤使硅的表层形成一层空穴寿命很短的变异层，它的刻蚀速率会大幅度降低，由于注入可以精确控制厚度，所以可以得到非常薄的硅膜。

通常是在酸性腐蚀液中完成，但是，有时大剂量的氩注入也会使硅可以在碱性刻蚀剂中存留下来。

制备完成的注入损伤层可以借助热处理修复。

SOI终止：

借助SOI硅片能够实现绝对终止，因为在碱性刻蚀剂中，氧化硅的抗腐蚀能力有充分保障，这一点不难理解。

111面终止：

借助注入键合工艺将111面于硅片结合，这样，当腐蚀到结合面后，刻蚀几乎会终止，但该方法极少用。

利用Au与硅的电极电位差（在刻蚀液中），使P型硅相对于N型硅处于更负电位，也就是N型硅略处于正电位，自动处于钝化状态。

一些典型结构的加工技巧：

前开口悬臂梁：

根据凸角腐蚀的现象，只要不形成桥式结构，最后悬臂梁下面的归就一定会被底切清除，直到形成完全由111面包围的槽，但是这有一个条件，留下来的部分必须十分顽强，因为刻蚀的时间会因此大为延长。

所以背后的腐蚀还是最常用的。

借助电化学控制刻蚀

第二步借助正面的各向同性刻蚀