第四讲碱性各向异性刻蚀.docx
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第四讲碱性各向异性刻蚀
碱性各向异性刻蚀
优缺点：
工艺开发水平较高；结构几何尺寸能够精确控制（晶体结构）；整体的设备投资少，成本相对低；批量加工制造能力强；潜在的可以与CMOS工艺集成能力；缺点：
无法或者很难获得垂直的侧面，因而结构的体积和构造方
式有一定制约；
一般需双面光刻，成本有所上升（并非湿法独有）
KOH与半导体工艺不兼容，只能安排在最后完成，但是
可以选择其它的刻蚀液以求得兼容
刻蚀设备简单，但是控制不够精确加工时间比较长（刻蚀深度足够大），可能导致其它的问题
依据晶相结构的成型规律显著制约了微结构设计的灵活
性，复杂且难以精确预计的凸角补偿使人望而却步。
湿法各向异性刻蚀因为这些缺点正在被逐渐进步的干法刻蚀工艺排挤，但是，目前和不久的将来它仍然是广泛应用的技术，特别是在深度微结构大规模生产工艺中。
各向异性刻蚀的基本原理：
单晶硅的不同晶面在部分刻蚀剂溶液中，刻蚀速率各有不同，一部分快，一部分慢，当一块单晶硅暴露于刻蚀剂中，刻蚀快的晶面随着刻蚀进程逐渐趋
于消失，而刻蚀速度慢的晶面则倾向于作为终止层得以保留，构成最后结构的组成部分。
各向异性刻蚀的主要优点和缺点盖源于此多种碱性溶液可以胜任各向异性刻蚀的工作，但是其中最著名者当属KOH，其次是EDP（乙二胺+对苯二酚+水）,还有TMAH（四甲基氢氧化铵）、肼（联胺）、氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化铯以及氨水等。
从工艺兼容性、刻蚀选择比等角度比较，EDP最佳，但是其中的乙二胺毒性比较大，而且易挥发，所以。
在升温的体系中比较难以接受，因此已经被大多数工艺线所摈弃，目前最多使用的是KOH。
稀的KOH没有显著毒性，但是也是危险的化学品，特别是在60-100度的刻蚀温度区间内，它的腐蚀能力十分了得，操作要特别注意自我保护。
一个简单的装置就能够满足使用要求，更为简单的是无上盖回流装置的外溢式结构，辐射加热兼磁力搅拌的方式。
无论何种体系，整个装置必须置于通风柜内工作，以散逸持续产生的氢气。
KOH体系中可以采用的掩膜介质有二氧化硅、氮化硅、炭化硅、金属：
—匚「等也可用，其中二氧化硅占绝
对优势地位，炭化硅最佳，而氮化硅因内应力会损坏最终形成的脆弱结构。
二氧化硅与硅100面的刻蚀速率比值很高，一般地，2微米
以下的掩膜足以在大多数情况下使500微米左右的硅片刻蚀
洞穿。
单纯从掩膜稳定性考虑，应该选择刻蚀剂浓度接近15%的体
1
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T=凸。
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KOh-1匚匚ENTRATION
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系，此时二氧化硅刻蚀速率很低，而硅腐蚀速率已经达到最
高范围。
但是常用的体系是30-40%左右，主要原因在于刻蚀面的形貌。
设计工艺时可以根据目标灵活选择。
掩膜的图形化一般采用湿法刻蚀，刻蚀剂用BHF，需要注意为侧向刻蚀造成的线宽变化预留空间，一般1.5－2微米的二氧化硅刻蚀造成的线条展宽应该在3-4微米左右，但是刻蚀剂的成份、工作温度、掩膜光刻胶结合力等都会有显著影响，有时钻蚀严重会造成线条剥离。
在必须控制尺寸的情况下，可以采用金属过渡掩膜或者干法刻蚀二氧化硅掩膜。
干法刻蚀的过渡掩膜是普通的光刻胶，厚度3-4微米足够，以三氟甲烷和六氟化硫为刻蚀剂，RIE刻蚀可以充分保证线宽精度。
此外，PECVD生长的炭化硅和氮化硅都不会在KOH中产生腐蚀，所以，也可以最为精密线宽控制的掩膜，但是它们同样必须用干法刻蚀图形化。
一些金属辅以适当的衬底可以作为稳定掩膜材料使用，但是通常它们的可靠性有一定问题，主要是剥离。
atomsatthesurfacereactwithhydroxylions.Thesiliconisoxidized,andfourelectronsareinjectedfromeachsiIiconLitomintotheconductionhand
Si+2OH"注i（OH沪+4b=
Si]niillanc0U5ly.walerisreducelLleadingtothecvoJuliwiol'hydrogen
4H4十4T一4O『+2出・
]Ikcomplexedsilicon.Si（OHi^.lunhcircaciswithhydroxylionstoformasolublesiliconcomplexandwater
Si（OH）尹-+・1（）H一■SiO2（OH&+2H*>
]bus.ihcoverallreactionis
Si十2UH一十2H/）^SKOII沪十2血.
解释晶面依赖性的理论主要有：
化学键结合强度，悬挂键，活化能等，但是至今没有一个全面可靠的统一解释可以得到
致公认
K-
KOH刻蚀液的底切作用将持续攻击掩膜直到111面完全暴
，二匸户
露。
刻蚀仅在111面形成凹角结合时才会实质性终止
无掩膜刻蚀的凸角方形平台
欝右0}si
■）1st.irn2ndptiqU卅IItography
b）1ststao^-n^s*C）0Mid）2ndstogoetchingprograss
sI疤成三昙結梅的工艺就礴示丽图
CMPL
顶面保护侧壁刻蚀可以得到悬臂梁微结构
a）membranedefinitionb）clceiron-bcamexposure
□nddevekipinent
c）3（）nmCrIrft-ofTd）onentadon-selective
wetetchingandremovalofCr
利用110硅制备侧壁陡直的硅结构，以及纳米硅线
基于110硅片的高深宽比硅薄膜结构
Fig,4Surfiiceroughnessagainsitemperature
不同浓度的刻蚀液界面粗糙度与温度关系
一■-KOHseiutc^Y-T书赳HScMutnn
11.
叫：
OjtputPowwofUltrascniic
Fig»2一Therdatinnsofetchingrateandoutputpower
超声波搅拌可以显著提高刻蚀速率
超声波搅拌还可以以改进刻蚀界面的均匀性
无搅拌，磁力旋转搅拌和超声波搅拌的效果，两组图片所用的刻蚀剂分别是KOH和EDP
200微米刻蚀的深度不均匀性
Table2
DepthdifferencesLhe生山叫watrrs
Solution
SampleA
SmnpleB
SurnpleC
KOH（pm）
123
53
1
TMAli（小⑴
14.3
6.4
1
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。
单面刻蚀（镂空）的难题：
KOH强烈的腐蚀性和渗透能力，使对硅片进行选择性保护
成为非常困难的问题，夹具的设计是人们的首选。
要兼顾密封性能和受力程度，是很难取舍的问题。
1SehraaticiliustrationofPDMSsealringfftbricaiioitLiquidsiloxane迟P0Ul^诚。
thtmoldHep）,curedat6ffCfor24h（centEr）,and（heringisremovedfromthemold（bcuonik
EtchmaskDouble-sideprocessed
siliconwafer
Transmittedlight
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可以考虑的改进措施：
用一对硅片背靠背互相保护，需要合适的黏合剂
用惰性材料覆盖全部屏蔽区
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