MEMS工艺体硅微加工技术

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1、第7章MEMS工艺——体硅微加工工艺（腐蚀）内容腐蚀工艺简介湿法腐蚀干法刻蚀其他类似加工工艺腐蚀工艺简介腐蚀是指一种材料在它所处的环境中由于另一种材料的作用而造成的缓慢的损害的现象。然而在不同的科学领域对腐蚀这一概念则有完全不同的理解方式。在微加工工艺中，腐蚀工艺是用来“可控性”的“去除”材料的工艺。大部分的微加工工艺基于“Top-Down”的加工思想。“Top-Down”加工思想：通过去掉多余材料的方法，实现结构的加工。（雕刻——泥人）腐蚀工艺简介——腐蚀工艺重要性作为实现“去除”步骤的腐蚀工艺是形成特定平面及三维结构过程中，最为关键的一步。图形工艺掩模

2、图形生成台阶结构生成衬底去除牺牲层去除清洁表面腐蚀工艺简介——腐蚀工艺作用腐蚀红光LED结构蓝光LED结构蓝宝石衬底红光LED结构蓝光LED结构蓝宝石衬底红光LED结构蓝光LED结构蓝宝石衬底红光LED蓝光LED结构蓝宝石衬底红光LED蓝光LED蓝宝石衬底红光LED蓝光LED蓝宝石衬底蓝光LED结构蓝宝石衬底红光LED结构硅腐蚀方法：干法和湿法腐蚀方向选择性：各向同性和各向异性腐蚀材料选择性：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）湿法腐蚀湿法腐蚀——“湿”式腐蚀方法，基于溶液状态的腐蚀

3、剂。湿法腐蚀工艺特点：设备简单，操作简便，成本低可控参数多，适于研发受外界环境影响大浓度、温度、搅拌、时间有些材料难以腐蚀湿法腐蚀——方向性各向同性腐蚀——腐蚀速率在不同方向上没有差别各向异性腐蚀——对不同的晶面的腐蚀速率有明显差别利用各向异性腐蚀特性，可以腐蚀出各种复杂的结构。各向异性腐蚀和各向同性腐蚀硅的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。硅的各向异

4、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）湿法腐蚀的化学物理机制腐蚀——生长晶体生长是典型的各向异性表现。腐蚀作用：晶体生长的反过程湿法腐蚀的化学物理机制腐蚀过程：反应物扩散到腐蚀液表面反应物与腐蚀表面发生化学反应反应物的生成物扩散到溶液中去硅腐蚀机理（P62）SiSiSi2OH-SiSiSiOH-OH-2e-SiOH-OH-OH-OH-2e-2OH-4H2O4OH-2H2OH-离子的参与对Si的腐蚀至关重要，在这一过程中，由于（111）面的悬键只有1个，因而其电

5、离所需的能量较高，导致（111）面的速率最低。{100}{111}总反应式为：悬键密度只是导致各向异性的一个因素，但不能解释不同晶面间腐蚀速率有几百倍这么大的差异。实际的腐蚀机制，还和表面的粗糙，微台阶处的阶跃自由能，以及和吸附、扩散过程密切相关的动力学因素有关。2H2OSiSiSiSiSiHHOH-HHHHSiOH-OH-（111面）（100面）缺陷由于（111）面为理想光滑表面，对该面进行腐蚀所需的电离能要大，而产生吸附和扩散所需的能量也比较高，并且在腐蚀过程中形成粗糙的几率比其他面要小很多。因而该面的腐蚀速率要小的多。各向异性腐蚀简单小结：粗糙晶面腐

6、蚀比光滑晶面快。（111）面在腐蚀过程中会因表面重建或吸附变得更平坦，因而容易在腐蚀过程中显露出来。理想晶体平滑面腐蚀速率的激活能和化学反应的能量势差以及液体传输有关。前者的作用是各向异性的，后者是各向同性的。表面重构状态影响着腐蚀速率的变化不同的腐蚀剂中，不同阳离子会影响腐蚀过程中特殊面的稳定性，因而导致腐蚀结果不同。各向异性腐蚀的特点：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各向异性腐蚀液腐蚀液：无机腐蚀液：KOH,NaOH,LiOH,NH4OH等；有机腐

7、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.KOHsystemKOH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.KOHsystem溶剂：水，也有用

8、异丙醇(IPA)溶液：20%-50%KOH温度：60–80ºC速率