湿法刻蚀技术a课件.ppt

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1、n湿法刻蚀技术湿法刻蚀技术a各向同性刻蚀各向同性刻蚀b各向异性刻蚀各向异性刻蚀nLIGA工艺工艺n牺牲层技术牺牲层技术硅的各向同性刻蚀硅的各向同性刻蚀(湿法湿法)湿法刻蚀是微系统中材料去除技术的一种，尤其在湿法刻蚀是微系统中材料去除技术的一种，尤其在体硅去体硅去除除上占据重要地位。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

2、和阴极，而刻蚀过程没有外加电压，所以半导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体表面上的点便作为随机分布的局域化阳极和阴极局域化阳极和阴极。由于局域。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腐蚀电流(有报导超过有报导超过100A/cm2).每一个局域化区每一个局域化区(大于原子尺大于原子尺度度)在一段时间内既起阳极又起阴极作用。如果起阳极和起阴极在一段时间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，若两者的时作用的时间大致相等

3、，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。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。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各向同性刻蚀的原理对于对于HF、HNO3和和H2O(或或IPA

4、，即异丙醇即异丙醇)刻蚀液，硅表面刻蚀液，硅表面的阳极反应为的阳极反应为Si+2e+Si2+这里这里e+表示空穴，即表示空穴，即Si得到空穴后从原来的状态升到较高的氧化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态。腐蚀液中的水解离反应为H2O=(OH)-+H+Si+与与(OH)-接合，成为接合，成为Si2+2(OH)-Si(OH)2接着接着Si(OH)2放出放出H2并形成并形成SiO2,即即Si(OH)2SiO2+H2由于腐蚀液中存在由于腐蚀液中存在HF，所以所以SiO2立即与立即与HF反应，反应式为反应，反应式为SiO2+6HFH2SiF6+2H2O通过搅拌可使溶性络合物

5、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远离硅片，因此称这一反应为络合化反应。显然，合化反应。显然，HF的作用在于促进阳极反应，使阳极反应产的作用在于促进阳极反应，使阳极反应产物物SiO2溶解掉。不然，所生成的溶解掉。不然，所生成的SiO2就会阻碍硅的电极反应。就会阻碍硅的电极反应。HNO3的作用的作用可见，阳极反应需要空穴，这可由可见，阳极反应需要空穴，这可由HNO3在局域阴极处被在局域阴极处被还原而产生。在还原而产生。在HNO2杂质存在时，反应按下式进行杂质存在时，反应按下式进行HNO2+HNO3N2O4+H2ON2O4=2NO22NO2=2NO2-+2e+2NO2-

6、+2H+=2HNO2最后式中所产生的最后式中所产生的HNO2再按第一式反应，反应生成物则自身再按第一式反应，反应生成物则自身促进反应，因此这是促进反应，因此这是自催化反应自催化反应。第一式反应是可逆控制反应，。第一式反应是可逆控制反应，故有时加入含有故有时加入含有NO2-的硝酸铵以诱发反应。因为的硝酸铵以诱发反应。因为NO2-在反应中在反应中是再生的，所以氧化能力取决于未离解的是再生的，所以氧化能力取决于未离解的HNO3的数量。的数量。整个刻蚀反应有一个孕育期，孕育期间整个刻蚀反应有一个孕育期，孕育期间HNO2开始自催化，开始自催化，紧接着是紧接着是HNO2的阴极还原反应，它不断提供空穴参加氧

7、化反的阴极还原反应，它不断提供空穴参加氧化反应。氧化产物在应。氧化产物在HF中反应，形成可溶性络合物中反应，形成可溶性络合物H2SiF6。所有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+6HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2温度等对各向同性刻蚀的影响温度等对各向同性刻蚀的影响不同表面取向的衬底不同表面取向的衬底(N型，型，3-cm)在高在高HNO3区的几种配比下，刻蚀速率与温区的几种配比下，刻蚀速率与温度的关系。由于在高度的关系。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区化学反应是自催化的，所以有无

8、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，化学反应受区，化学反应受HF的的浓度影响，因此浓度影响，因此HF浓度越高，腐蚀速率越大。浓度越高，腐蚀速率越大。高高HF区的刻蚀速率区的刻蚀速率与温度的关系。对与温度的关系。对于高于高HF区，腐蚀速区，腐蚀速率与衬底率与衬底取向无关取向无关，有外部催化较之无有外部催化较之无外部外部催化的刻蚀催化的刻蚀速速率大。在该区，化率大。在该区，化学反应受学反

9、应受HNO3浓浓度的影响，度的影响，HNO3浓度越高，刻蚀速浓度越高，刻蚀速率越大。刻蚀速率率越大。刻蚀速率随温度的变化分为随温度的变化分为两个线性段，低温两个线性段，低温区刻蚀速率随温度区刻蚀速率随温度的变化较之高温区的变化较之高温区的变化快。的变化快。硅在未稀释的硅在未稀释的HF+HNO3系统中的腐蚀速率示于上图，可见，腐蚀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和和32%HNO3时出现最大值，为时出现最大值，为28um/s。三角形配方图的阅读方法：三角形配方图的阅读方法：所取

10、的点到该成分所在角相对的三角形边的距离占三角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。形高的百分比即为该成分的含量。各向异性腐蚀各向异性腐蚀硅硅的的各各向向异异性性腐腐蚀蚀，是是指指对对硅硅的的不不同同晶晶面面具具有有不不同同的的腐腐蚀蚀速速率率。基基于于这这种种腐腐蚀蚀特特性性，可可在在硅硅衬衬底底上上加加工工出出各各种种各各样样的的微微结结构构。各各向向异异性性腐腐蚀蚀剂剂一一般般分分为为两两类类，一一类类是是有有机机腐腐蚀蚀剂剂，包包括括EPW（乙乙二二胺胺)，EDP(邻邻苯苯二二酚酚)和和TMAH(四四甲甲基基氢氢氧氧化化氨氨)等等，另另一一类类是是

11、无无机机腐腐蚀蚀剂剂，即即碱碱性性腐腐蚀蚀液液，如如KOH，NaOH，LiOH，CsOH和和NH4OH等等。这这两两类类腐腐蚀蚀剂剂具具有有非非常常类类似似的的腐腐蚀蚀现现象象，本本讲讲重重点点介介绍绍KOH对对硅硅的的腐腐蚀蚀特特性性，其其余余的的仅仅列列出出其其常常用用的的腐腐蚀蚀剂剂配配比比。鉴鉴于于在在硅硅衬衬底底上上加加工工微微结结构构时时，常常以以SiO2和和Si3N4作为掩膜，介绍作为掩膜，介绍EPW和和KOH对对SiO2的腐蚀特性。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。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

12、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，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，而小，而100面和面和110面不是密排面，。面不是密排面，。但是但是100面比面比111面的悬挂健密度只大一倍，而实际上面的悬挂健密度只大一倍，而实际上100/111面的腐面的腐蚀速率比约为蚀速率比约为100:1。显然，单纯依据悬健密度是不能解释各向异性腐蚀的机制的。显然，单纯依据悬健密度是不能解释各向异性腐

13、蚀的机制的。各向异性腐蚀原理各向异性腐蚀原理-KOH系统系统腐蚀原理腐蚀原理KOH腐蚀系统常用腐蚀系统常用KOH（氢氧化钾）、氢氧化钾）、H2O（水）和（水）和（CH3）2CHOH（异丙异丙醇，缩写为醇，缩写为IPA）的混合液。除的混合液。除KOH外，类似的腐蚀剂还有外，类似的腐蚀剂还有NaOH，LiOH，CsOH和和NH4OH腐蚀剂。腐蚀剂。早期的研究结果可用以简单说明硅在早期的研究结果可用以简单说明硅在KOH系统中的腐蚀机制，其腐蚀的反应系统中的腐蚀机制，其腐蚀的反应式如下：式如下：KOH+H2O=K+2OH-+H+Si+2OH-+4H2O=Si（OH）6-2即首先即首先KOH将硅氧化成含

14、水的硅化物。其络合反应可用下式表示：将硅氧化成含水的硅化物。其络合反应可用下式表示：Si（OH）6-2+6（CH3）2CHOH=Si（OC3H7）6-2+6H2O然后与异丙醇反应，形成可溶解的硅络合物，这种络合物不断离开硅的表面，水然后与异丙醇反应，形成可溶解的硅络合物，这种络合物不断离开硅的表面，水的作用是为氧化过程提供的作用是为氧化过程提供OH-。如果没有如果没有IPA时，则反应按下式进行：时，则反应按下式进行：Si+H2O+2KOH=K2SiO3+2H2各向异性刻蚀中凸角问题及其对应方法各向异性刻蚀中凸角问题及其对应方法LIGA技术技术:LIGA是是德德文文的的制制版版术术Lithogr

15、aphie，电电铸铸成成形形Galvanoformung和和注注塑塑Abformung的的缩缩写写。该该工工艺艺在在20世世纪纪80年年代代初初创创立立于于德德国国的的卡卡尔尔斯斯鲁鲁厄厄原原子子核核研研究究所所，是是为为制制造造微微喷喷嘴嘴而而开开发发出出来来的的。当当时时LIGA技技术术的的开开创创者者WolfganEhrfeld领领导导的的研研究究小小组组曾曾提提出出：可可以以用用LIGA制制作作厚厚度度超超过过其其长长宽宽尺尺寸寸的的各各种种微微型型构构件件。例例如如用用它它制制作作出出了了直直径径5m、厚厚300m的的镍镍质质构构件件。威威斯斯康康星星-麦麦迪迪逊逊大大学学电电气气工

16、工程程学学教教授授HenfyGuckel很很早早也也展展开开了了LIGA技技术术方方面面的的研研究究，研研制制出出直直径径50200m、厚度厚度200300m的镍质齿轮组，并组装到一起形成了齿轮系。的镍质齿轮组，并组装到一起形成了齿轮系。LIGA技术所胜任的几何结构不受材料特性和结晶方向的限制，可技术所胜任的几何结构不受材料特性和结晶方向的限制，可以制造由各种金属材料如镍、铜、金、镍钴合金以及塑料、玻璃、陶以制造由各种金属材料如镍、铜、金、镍钴合金以及塑料、玻璃、陶瓷等材料制成的微机械。因此，较硅材料的加工技术有了一个很大的瓷等材料制成的微机械。因此，较硅材料的加工技术有了一个很大的飞跃。飞跃

17、。LIGA技术可以制造具有很大纵横比的平面图形复杂的三维结构。技术可以制造具有很大纵横比的平面图形复杂的三维结构。纵向尺寸可达数百微米，最小横向尺寸为纵向尺寸可达数百微米，最小横向尺寸为1m。尺寸精度达亚微米级，尺寸精度达亚微米级，而且有很高的垂直度，平行度和重复精度。但其设备投资很大。而且有很高的垂直度，平行度和重复精度。但其设备投资很大。LIGA技术包括以下技术包括以下3个主要工艺过程。个主要工艺过程。1深层同步辐射深层同步辐射X射线光刻射线光刻 利利用用同同步步辐辐射射X射射线线透透过过掩掩模模对对固固定定于于金金属属基基底底上上的的厚厚度度可可高高达达几几百百微微米米的的X射射线线抗抗

18、蚀蚀剂剂层层进进行行曝曝光光。然然后后将将其其显显影影制制成成初初级级模模板板，由由于于被被曝曝光光过过的的抗抗蚀蚀制制将将被被显显影影除除去去，所所以以该该模模板板即即为为掩掩模模覆覆盖盖下下的的未未曝曝光部分的抗蚀剂层，它具有与掩模图形相同的平面几何图形。光部分的抗蚀剂层，它具有与掩模图形相同的平面几何图形。同同步步辐辐射射X射射线线除除具具有有普普通通X射射线线所所具具有有的的波波长长短短、分分辨辨率率高高、穿穿透透力力强强等等优优点点外外，还还具具有有特特定定的的优优点点，主主要要包包括括：几几乎乎是是完完全全平平行行的的X射射线线辐辐射射，可可进进行行大大焦焦深深的的曝曝光光，减减小

19、小了了几几何何畸畸变变的的影影响响；高高辐辐射射强强度度，比比普普通通X射射线线强强度度高高两两个个数数量量级级以以上上，便便于于利利用用灵灵敏敏度度较较低低但但稳稳定定性性较较好好的的光光刻刻胶胶来来实实现现单单层层胶胶工工艺艺；宽宽的的发发射射带带谱谱可可以以降降低低Fresnel衍衍射射的的影影响响，有有利利于于获获得得高高的的分分辨辨率率，并并可可根根据据掩掩模模材材料料和和抗抗蚀蚀剂剂性性质质选用最佳曝光波长；选用最佳曝光波长；曝光时间短曝光时间短，生产率高。，生产率高。LIGA技术要求掩模的基底抗辐射能力强，稳定性好，掩模体厚。技术要求掩模的基底抗辐射能力强，稳定性好，掩模体厚。2

20、电铸成形电铸成形电铸成形是根据电镀原理，在胎模上沉积相当厚度电铸成形是根据电镀原理，在胎模上沉积相当厚度金属以形成零件的方法。胎模为阴极，要电铸的金属作阳极。金属以形成零件的方法。胎模为阴极，要电铸的金属作阳极。在在LIGA技术中，把初级模板（抗蚀剂结构）模腔底面上利技术中，把初级模板（抗蚀剂结构）模腔底面上利用电镀法形成一层镍或其它金属层，形成金属基底作为阴极，用电镀法形成一层镍或其它金属层，形成金属基底作为阴极，所要成形的微结构金属的供应材料（如所要成形的微结构金属的供应材料（如Ni，Cu，Ag）作为作为阳极。进行电铸，直到电铸形成的结构刚好把抗蚀剂模板的阳极。进行电铸，直到电铸形成的结构

21、刚好把抗蚀剂模板的型腔填满。而后将它们整个浸入剥离溶剂中，对抗蚀剂形成型腔填满。而后将它们整个浸入剥离溶剂中，对抗蚀剂形成的初级模板进行腐蚀剥离，剩下的金属结构即为所需求的微的初级模板进行腐蚀剥离，剩下的金属结构即为所需求的微结构件。结构件。3注塑注塑将电铸制成的金属微结构作为二级模板，将塑性材将电铸制成的金属微结构作为二级模板，将塑性材料注入二级模板的模腔，形成微结构塑性件，从金属模中提料注入二级模板的模腔，形成微结构塑性件，从金属模中提出。也可用形成的塑性件作为模板再进行电铸，利用出。也可用形成的塑性件作为模板再进行电铸，利用LIGA技术进行三维微结构件的批量生产。技术进行三维微结构件的批

22、量生产。LIGA产品LIGA产品牺牲层技术牺牲层技术牺牺牲牲层层技技术术（SacruficialLayerTechnology）也也叫叫分分离离层层技技术术。牺牺牲牲层层技技术术是是在在硅硅基基板板上上，用用化化学学气气相相沉沉积积方方法法成成微微型型部部件件，在在部部件件周周围围的的空空隙隙上上添添入入分分离离层层材材料料（如如SiO2）。最最后后，以以溶溶解解或或刻刻蚀蚀法法去去除除分分离离层层，使使微微型型部部件件与与基基板板分分离离，也也可可以以制制造造与与基基板板略略为为连连接接的的微微机机械械，如如：微微静静电电电电机机、微齿轮、曲轴和振动传感器的微桥接片等。微齿轮、曲轴和振动传感

23、器的微桥接片等。-理理想想的的牺牺牲牲层层材材料料必必须须满满足足要要求求，膜膜厚厚度度须须生生长长在在可可接接受受的的公公差差内内。不不均均匀匀的的沉沉积积导导致致表表面面粗粗糙糙或或不不平平整整。当当间间缝缝隙隙很很小小（5m）时时，参参数数就就尤尤为为重重要要。需需要要脱脱开开时时，牺牺牲牲层层必必须须整整体体地地被被去去除除掉掉。牺牺牲牲层层的的刻刻蚀蚀选选择择率率和和刻刻蚀蚀率率必必须须很很高高，以以便便使使结结构构的的其其它它部部位位不不被被明明显显损损伤伤。但但实实际在牺牲层的刻蚀中，刻蚀几百微米的长窄槽一般却要花相当长的时间。际在牺牲层的刻蚀中，刻蚀几百微米的长窄槽一般却要花相

24、当长的时间。只只有有非非常常少少的的刻刻蚀蚀系系统统和和材材料料能能满满足足这这些些需需要要。在在硅硅传传感感器器中中，首首选选PSG，它它们们可可以以在在中中等等复复杂杂程程度度的的外外表表面面上上沉沉积积。PSG可可以以用用40%浓浓度度的的HF将将其其除除掉掉而而没没有有影影响响多多晶晶硅硅结结构构。因因此此，它它们们更更适适合合于于作作HF脱脱离离的的微微结构。结构。有有机机膜膜如如聚聚丙丙烯烯和和光光刻刻胶胶也也用用作作牺牺牲牲层层材材料料，因因为为它它们们很很容容易易被被氧氧等等离子离子去除。去除。牺牺牲牲层层经经常常需需要要从从基基本本传传感感区区表表面面用用开开孔孔或或通通道道

25、来来去去除除，可可以以采采用用水水平平或或垂垂直直式式通通道道。刻刻蚀蚀液液通通过过开开口口慢慢慢慢穿穿过过而而除除去去牺牺牲牲层层。开开口口必必须须足足够够大大以以便便于于处处理理刻刻蚀蚀液液，并并缩缩短短刻刻蚀蚀时时间间。在在长长窄窄槽槽中中，扩扩散散效效应应会会限限制制刻刻蚀率，应尽可能采用多处开口以缩短刻蚀时间。蚀率，应尽可能采用多处开口以缩短刻蚀时间。如如果果选选择择了了湿湿法法刻刻蚀蚀去去除除牺牺牲牲层层材材料料，或或以以任任何何湿湿法法过过程程来来脱脱开开结结构构，就就必必须须考考虑虑张张力力效效应应的的影影响响。当当液液体体被被去去除除时时，液液体体表表面面张张力力能能向向邻邻

26、近近表表面面（基基片片）拉拉扯扯，从从而而使使柔柔性性结结构构的的二二表表面面导导致致接接触触，甚至到液体完全去除后，微结构还会粘在表面上。甚至到液体完全去除后，微结构还会粘在表面上。黏黏合合现现象象可可以以用用不不同同方方法法来来避避免免。一一种种方方法法就就是是用用干干法法刻刻蚀蚀来来进进行行脱脱离离，避避免免任任何何附附加加的的湿湿法法过过程程。这这种种方方法法限限于于高高选选择择率率的的等等向向干干法法刻刻蚀蚀和和快快速速扩扩散散形形式式，这这是是因因为为等等离离子子不不能能渗渗透透到到牺牺牲牲层层内内太太远远的的地地方方。如如果果湿湿法法刻刻蚀蚀不不可可避避免免，应应配配以以干干冻冻

27、和和超超临临界界干干燥燥技技术术。干干冻冻时时，漂漂洗洗液液当当场场冷冷冻冻，而而后后在在真真空空室室中中升升华华；在在临临界界干干燥燥时时，在在临临界界压力和温度下（此时表面张力为零）将液体去除。压力和温度下（此时表面张力为零）将液体去除。黏黏合合现现象象也也可可以以用用降降低低表表面面接接触触的的方方法法来来避避免免。一一个个简简单单的的脱脱离离法法是是用用中中间间牺牺牲牲材材料料，在在初初始始牺牺牲牲层层湿湿法法刻刻蚀蚀工工步步中中用用它它来来抠抠出出分分离离表表面面。然然后后，用用等等离离子子刻刻蚀蚀掉掉中中间间牺牺牲牲层层材材料料，脱脱出出结结构构来来。另另外外，采用凹坑表面也有助于

28、减少接触面积。采用凹坑表面也有助于减少接触面积。压力传感器、谐振器、红外发射器的加工表面都会用到型腔的封装，可压力传感器、谐振器、红外发射器的加工表面都会用到型腔的封装，可以通过填充小孔来实现。以通过填充小孔来实现。最早的封装技术是用多晶硅型腔内的氧化硅热反应生长方法。型腔壁上氧化最早的封装技术是用多晶硅型腔内的氧化硅热反应生长方法。型腔壁上氧化物体积扩大会封闭开口。物体积扩大会封闭开口。适用于封装气密性要求不高的场合适用于封装气密性要求不高的场合仅适用于硅膜结构仅适用于硅膜结构。型腔还可以用沉积材料来封装。它在样件上涂一层薄膜直到通口封上。型腔还可以用沉积材料来封装。它在样件上涂一层薄膜直到通口封上。封装可以靠有机聚酰亚氨离心铸完成。封装可以靠有机聚酰亚氨离心铸完成。(无论是采用反应式还是沉积式封装技术，型腔内都涂上了填充材料。当型腔无论是采用反应式还是沉积式封装技术，型腔内都涂上了填充材料。当型腔内壁的机械特性有严格要求时这将是个问题。内壁的机械特性有严格要求时这将是个问题。)牺牲刻蚀技术形成型腔时小孔的处理牺牲刻蚀技术形成型腔时小孔的处理调研工艺作业典型微系统器件加工工艺过程1加速度传感器看animation。2光开关看animation