各向异性刻蚀LIGA工艺牺牲层技术硅的各向同性刻蚀湿法

1. liga工艺技术的原理liga工艺技术是一种微纳加工技术，它的名称来源于德文单词“Lithographie, Galvanoformung, Abformung”。

这种技术是利用光刻和电镀的原理，通过模板制作微型结构件。

通过光刻技术将所需结构图案设计在光刻胶上，然后用化学腐蚀或蚀刻的方法，在光刻胶上形成微细结构。

接下来，在这些微细结构上进行金属电镀，最终得到微器件。

liga工艺技术的原理可以概括为：光刻-腐蚀-电镀-脱模。

2. liga工艺技术的方法liga工艺技术的方法主要分为几个步骤：首先是光刻，即将待制作的结构图案设计在光刻胶上，然后暴光、显影形成微细结构。

接着是腐蚀，利用蚀刻液将光刻胶外露的部分蚀刻掉，得到所需的微细结构。

最后是电镀，将金属沉积到蚀刻后形成的微细结构上，形成微器件。

这些步骤都需要严格的工艺控制和精密的设备，以确保所制作的微器件质量和精度。

3. liga工艺技术在微器件制造中的应用liga工艺技术在微器件制造中有着广泛的应用。

在微机电系统（MEMS）中，liga工艺制作的微结构可以用于传感器、微泵、微阀等微器件的制造。

在光学领域，liga工艺制作的微透镜、光栅等微结构可以用于激光加工、光通信等领域。

在生物医学领域，liga工艺技术也可以制作微流体芯片、微针等微器件，用于生物分析和药物传输等应用。

4. 个人观点和理解作为一种高精度的微纳加工技术，liga工艺技术在现代科技领域的应用非常广泛，对促进微器件的发展具有重要意义。

通过liga工艺技术制作的微结构件具有精度高、成本低、批量生产等优点，为微纳系统、光学器件、生物医学器件等领域的发展提供了重要支持。

我认为，随着科技的不断进步和应用领域的拓展，liga工艺技术必将发挥更大的作用，为人类社会带来更多的创新和发展。

总结回顾在本文中，我们从liga工艺技术的原理和方法入手，深入探讨了它在微器件制造中的应用，并共享了个人观点和理解。

《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第五节：金属硅化物技术金属硅化物工艺技术内容简述：随着集成电路工艺制程技术的不断发展，为了提高集成电路的集成度，同时提升器件的工作速度和降低它的功耗，半导体工艺的特征尺寸不断缩小，晶体管的栅、源和漏有源区的尺寸也会相应缩小，而它们的等效串联电阻会相应变大，从而影响电路的速度。

为了改善等效串联电阻，半导体业界先后发展出金属硅化物工艺技术Polycide和Salicide。

最先出现的金属硅化物工艺技术是Polycide工艺技术，Polycide工艺技术是为了改善多晶硅栅的等效串联电阻和接触孔的接触电阻，Polycide工艺技术仅仅在多晶硅栅上形成金属硅化物，源和漏有源区不会形成金属硅化物，所以它没有办法改善晶体管源和漏有源区的等效串联电阻和接触孔的接触电阻。

为了改善晶体管源和漏有源区的等效串联电阻和接触孔的接触电阻而发展出Salicide工艺技术，Salicide工艺技术不仅在多晶硅栅上形成金属硅化物，而且在源和漏有源区也会形成金属硅化物，它同时改善晶体管的栅、源和漏有源区的等效串联电阻和接触孔的接触电阻。

本文摘选自《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第五节的内容，这部分内容简单介绍了Polycide工艺技术、Salicide工艺技术和SAB工艺技术的原理，并以纳米级工艺形成ESD器件和Non-Salicide器件为例介绍SAB和Salicide工艺技术的工程应用。

3.5 金属硅化物技术-------------------------------------------------------------------------------------------------3.5.1 Polycide工艺技术--------------------------------------------------------------------------------------3.5.2 Salicide工艺技术---------------------------------------------------------------------------------------3.5.3 SAB工艺技术--------------------------------------------------------------------------------------------3.5.4 SAB和Salicide工艺技术的工程应用------------------------------------------------------------3.5 金属硅化物技术当半导体工艺的特征尺寸缩小到亚微米以下时，晶体管的栅、源和漏有源区的尺寸宽度也会相应缩小，而它们的等效串联电阻会相应变大，从而影响电路的速度。

第52卷第6期2023年6月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.52㊀No.6June,2023蓝宝石晶体湿法刻蚀各向异性研究与机理分析张㊀辉1,2,钱㊀珺1,洪莉莉1(1.南京工业职业技术大学机械工程学院,南京㊀210000;2.东南大学机械工程学院,南京㊀210000)摘要:当前蓝宝石各向异性刻蚀规律还没有获得完整揭示,其刻蚀微结构演化过程和形貌结构很难实现准确预测和控制,给蓝宝石衬底图案化结构加工成型和质量控制带来很大的挑战㊂本研究基于蓝宝石全晶面刻蚀速率实验数据,详细分析了其微结构刻蚀成型过程和刻蚀机理,并对比分析了刻蚀条件对蓝宝石刻蚀微结构和表面形貌的影响规律,实验结果表明:适当提高刻蚀温度可以提高刻蚀效率,但会引起表面质量的下降;以磷酸为代表的弱电解质类作为刻蚀缓冲剂能够有效提高刻蚀结构面质量;(275ʃ10)ħ,98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4(体积配比)=3ʒ1刻蚀溶液可以获得最优的刻蚀速率和表面质量㊂关键词:蓝宝石;湿法刻蚀;各向异性;刻蚀条件;刻蚀机理;表面形貌中图分类号:O732㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2023)06-1128-08Anisotropy and Mechanism of Wet Etching of Sapphire CrystalZHANG Hui 1,2,QIAN Jun 1,HONG Lili 1(1.School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Vocational Industry Technology,Nanjing 210000,China;2.School of Mechanical Engineering,Southeast University,Nanjing 210000,China)Abstract :Due to the fact that the current mechanism of anisotropic wet etching of sapphire has not been fully revealed,it is difficult to accurately predict and control the evolution process and morphology of its etching microstructure,which brings great challenges to the processing and quality control of patterned structures on sapphire substrates.In this paper,based on the experimental data of sapphire crystal plane etching rates,the etching process and etching mechanism of its microstructure were analyzed in detail,and the influence of the change of etching conditions on the sapphire etching microstructure and surface morphology was compared and analyzed.The experimental results show that:the etching efficiency can be improved by appropriately increasing the etching temperature,but the surface quality will be reduced;weak electrolytes represented by phosphoric acid can be used as etching buffers to improve the quality of etched structural surfaces;the (275ʃ10)ħ,98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4㊀(volume ratio)=3ʒ1is the optimal etching solution,which can obtain the best etching rate and surface quality.Key words :sapphire;wet etching;anisotropic;etching condition;etching mechanism;surface morphology㊀㊀收稿日期:2023-01-08㊀㊀基金项目:江苏省工业感知及智能制造装备工程研究中心开放基金(ZK22-05-07);南京工业职业技术大学引进人才科研启动基金(YK20-01-08)㊀㊀作者简介:张㊀辉(1986 ),男,山东省人,博士,校聘副教授㊂E-mail:zhanghui_ccc@0㊀引㊀㊀言各向异性湿法刻蚀是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的不等向化学反应来实现微纳米结构刻蚀成型的加工方法,其工艺过程简单易控,尤其对空腔㊁探针㊁高宽深比侧壁等干法刻蚀不易加工的不规则复杂结构有着显著优势[1-3]㊂然而,其刻蚀反应速率和形貌结果受到腐蚀液物化特性(腐蚀能力㊁吸附特性和扩散速度)和被刻蚀材料本身密度㊁晶向㊁原子结构等因素的共同影响[4]㊂蓝宝石具有较强的化学惰性,常温下几乎不与酸㊁碱反应,只有在高温下(200ħ以上)可被氢氟酸(HF)㊁浓硫酸(H 2SO 4)㊁磷酸(H 3PO 4)以及熔化的氢氧化钾(KOH)所腐蚀[5]㊂工业生产中,目前主要采用浓硫酸作为各向异性刻蚀剂来实现蓝宝石衬底㊀第6期张㊀辉等:蓝宝石晶体湿法刻蚀各向异性研究与机理分析1129㊀微结构加工[6-7]㊂为了明确蓝宝石湿法刻蚀各向异性特征分布规律,本研究首先通过刻蚀C 向极轴晶体半球获取蓝宝石全晶面刻蚀速率和典型球面坐标点表面形貌,然后采用不同温度和浓度配比的浓硫酸溶液刻蚀典型掩膜形状的蓝宝石衬底(C -Plane)获取结构面演化过程和微结构形貌,明确温度㊁浓度等刻蚀条件对蓝宝石刻蚀微结构和表面形貌的影响作用[8-10]㊂基于以上实验和数据分析结果,本研究合理解释了蓝宝石各向异性湿法刻蚀机理并明确了最佳刻蚀工艺条件[11-12],为蓝宝石微结构加工提供了理论依据和技术参考㊂1㊀蓝宝石刻蚀各向异性特征实验分析1.1㊀蓝宝石全晶面刻蚀速率获取实验将蓝宝石晶体半球底部紧固于半球刻蚀夹具(专利号:ZL 201510217689.8)[13],进行超声波清洗和烘干,随后置于石英烧杯中加入浓硫酸溶液加热刻蚀,具体实验步操作参考文献[11]㊂刻蚀工艺要求和所得数据如下:刻蚀时间:24h,不搅拌;刻蚀温度:245ħ(波动温差:ʃ3ħ);刻蚀对象:蓝宝石晶体半球(C 向极轴,D =42mm ʃ0.1mm,圆球度φs ȡ0.99);刻蚀反应液:98%浓硫酸溶液;刻蚀缓冲剂:85%浓磷酸溶液;溶液配比:98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4(体积配比,下同)=3ʒ1㊂基于以上刻蚀条件,获得了蓝宝石C 向极轴半球全晶面刻蚀速率分布情况并提取了具有代表性的位于X 轴和Y 轴上晶面的刻蚀速率数据,如图1所示㊂图中,蓝宝石晶面刻蚀速率分布表现出明显的120ʎ旋转对称特点,其中极大值分布于ΔM 1M 2M 3与ΔN 1N 2N 3顶点处,并且各顶点对应晶面处刻蚀速率V _ehch (M 1)=V _ehch (M 2)=V _ehch (M 3)>V _ehch (N 1)=V _ehch (N 2)=V _ehch (N 3)>V _ehching (C (0001));极小值主要分布于半球赤道附近,其晶面刻蚀速率极低,接近0,如图1(a)所示㊂此外,在X 轴(a -axis)上晶面刻蚀速率分布呈 山 字形,其最大值点与C (0001)晶面夹角为15ʎ,为晶面(21-㊀1-㊀8),即M 1点㊂在Y 轴(ʅa -axis)晶面上刻蚀速率分布呈 M 形,两个最大值点左右对称,为与C (0001)晶面夹角ʃ15ʎ的晶面(0114)和(0114),如图1(b)所示㊂图1㊀蓝宝石湿法刻蚀晶面速率获取实验㊂(a)蓝宝石C 极轴北半球晶面刻蚀速率分布情况;(b)X 轴(a -axis)和Y 轴(ʅa -axis)上的蓝宝石晶面刻蚀速率分布数据Fig.1㊀Etching rate distribution of all crystal planes ofsapphire.(a)The etching rate distribution of crystal planes in the northern hemisphere;(b)the etching rate distribution of crystal planes on X -axis (a -axis)and Y -axis (ʅa -axis)综上分析,蓝宝石晶体晶面刻蚀速率分布特征符合三方晶系晶体各向异性宏观特征规律[14],即:全晶面刻蚀速率绕C 轴呈现120ʎ旋转对称,刻蚀速率极大值晶面不在极轴晶面上而是位于某个三角形顶点处且数量为3n (n ȡ1),同时半球赤道附近晶面刻蚀速率均非常低㊂此外,相比石英等其他三方晶系晶体,蓝宝石晶面刻蚀速率关于X 轴(a -axis)对称性更好,并在任意半球经线方向上均存在多个局部最大和最小值㊂1.2㊀蓝宝石晶体刻蚀微结构及刻蚀过程分析为了明确蓝宝石晶体各向异性刻蚀微结构形成过程,本研究选用以上晶体半球刻蚀条件,以C (0001)晶片为刻蚀对象并通过化学气相沉积法在其上预置平行于X 轴方向和Y 轴方向的格栅掩膜[15-16],经过15min 刻蚀获得如下刻蚀结果㊂1)X 轴掩膜边界侧壁成型分析从图2中可以看出,当格栅掩膜边界平行于X 轴时,C (0001)晶片刻蚀结果呈现为倒立等腰梯形槽结构,梯形上顶角约为135ʎ,两对称侧壁和水平底面均较为光滑平1130㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷-㊀5-㊀6)晶面,整㊂根据三结构面角度关系并结合图1(b)中X轴晶面刻蚀速率分布曲线可知,左侧结构面为(05-㊀5-㊀6)晶面,底面为(0001)晶面㊂右侧为(05图2㊀在245ħ98%H2SO4ʒ85%H3PO4=3ʒ1溶液中,刻蚀15min时C(0001)晶片格栅掩膜刻蚀微结构(掩膜边界平行于X轴)㊂(a)格栅掩膜刻蚀结果俯视图;(b)格栅掩膜刻蚀结果横截面图Fig.2㊀In98%H2SO4ʒ85%H3PO4=3ʒ1solution at245ħfor15min,the etched microstructure displayed on C(0001)substrate (mask boundary along the X-axis).(a)Top view of the etched structure;(b)cross-sectional view of the etched structure WJ(Wullf-Jacodine)刻蚀理论认为,刻蚀结构面的形成是不同速率晶面相互竞争的结果[14]㊂研究发现,掩膜侧壁刻蚀时,平行于掩膜边界且钻蚀速率值较小的晶面会在刻蚀过程中占据主导地位并逐渐排挤掉具有较高钻蚀的晶面,随后低钻蚀速率晶面相互竞争,最终具有钻蚀速率极小值的晶面胜出形成结构面㊂为了探索蓝宝石掩膜侧壁刻蚀结构面形成过程,本研究首先将图1(b)平行于X轴晶面刻蚀速率极坐标转换,获得图3(a),然后标注出刻蚀速率极大值晶面和极小值晶面,随后将掩膜边缘视为极坐标速率的曲率中心,刻蚀过程中侧壁面将由距曲率中心距离值局部极小的晶面相互竞争组成㊂刻蚀初期,P1㊁P2㊁P3三个速率极小值晶面构成初始结构面,但P3晶面刻蚀速率远大于P1和P2;随着刻蚀的深入,P1和P2两晶面将排挤掉速率较大的P3晶面形成对称V字形截面,如图3(b)所示㊂图3㊀(0001)晶片格栅掩膜侧壁刻蚀结构面形成过程㊂(a)X轴(a-axis)上的蓝宝石晶面极坐标刻蚀速率分布数据;(b)不同阶段掩膜侧壁刻蚀结构面组成Fig.3㊀Formation process of mask sidewall structure on(0001)plane.(a)The polar coordinate etching rate distribution of crystal planes parallel to X-axis(a-axis);(b)composition of the mask sidewall structure at different stages2)Y轴掩膜边界侧壁成型分析由图4可知,当格栅掩膜边界平行于Y轴时,C(0001)晶片刻蚀结果呈现上顶角分别为145ʎ和120的倒立非等腰梯形槽结构,侧壁和水平底面均较为光滑平整㊂根据三结构面角度关系并结合图1(b)中Y轴晶面刻蚀速率分布曲线可知,左侧结构面为(229)晶面,右侧为(2113)晶面,底面为(0001)晶面㊂将图1(b)平行于Y轴晶面刻蚀速率极坐标转换后得到图5(a),可以看到左侧有极大值和极小值晶面各两个,分别为: P6㊁P7和P2㊁P4;右侧极大值和极小值晶面分别为P5和P1;中间为极小值晶面P3㊂刻蚀初期,P1㊁P3㊁P4三个速率极小值晶面率先构成初始结构面,随着刻蚀过程深入,左侧壁速率更大的极值晶面P2逐渐竞争掉P4晶㊀第6期张㊀辉等:蓝宝石晶体湿法刻蚀各向异性研究与机理分析1131㊀面并形成稳定结构面,随后P 3晶面也在与相邻结构面P 2和P 4竞争中消失,最后胜出的P 2和P 1构成V 字形截面,如图5(b)所示㊂图4㊀在245ħ98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4=3ʒ1溶液中,刻蚀15min 时C (0001)晶片格栅掩膜刻蚀微结构(掩膜边界平行于Y 轴)㊂(a)格栅掩膜刻蚀结果俯视图;(b)格栅掩膜刻蚀结果横截面图Fig.4㊀In 98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4=3ʒ1solution at 245ħfor 15min,the etched microstructure displayed on C (0001)substrate (mask boundary along the Y -axis).(a)Top view of the etched structure;(b)cross-sectional view of the etchedstructure 图5㊀(0001)晶片格栅掩膜侧壁刻蚀结构面形成过程㊂(a)Y 轴(ʅa -axis)上的蓝宝石晶面极坐标刻蚀速率分布数据;(b)不同阶段掩膜侧壁刻蚀结构面组成Fig.5㊀Formation process of the mask sidewall structure on (0001)plane.(a)The polar coordinate etching rate distribution of crystal planes parallel to Y -axis (ʅa -axis);(b)composition of the mask sidewall structure at different stages 2㊀蓝宝石各向异性刻蚀机理分析蓝宝石属于三方晶系金属氧化物,化学式为Al 2O 3,是由两个铝原子和三个氧原子以共价键形式结合而成的六方晶格晶体,其原子结构在c 轴方向呈120ʎ中心对称,a 轴方向呈镜像对称,ʅa 轴方向呈中心对称,晶胞结构如图6(a)所示㊂此外,蓝宝石晶体不同晶面原子排列特征明显不同且包含的原子类型和数量比例也有显著差异,如图6(b)和(c)所示㊂实验研究发现,晶面原子结构与刻蚀速率和形貌特征存在一定对应关系,例如刻蚀速率相近的晶面,其原子结构特征具有相似性或者主要原子类型占比近似;刻蚀速率差异较大的晶面,其原子排列结构往往显著不同[1-2,12]㊂根据分子键能理论,晶片刻蚀时每一个待刻蚀原子都会受到周围相邻原子的键能影响,而且待刻蚀原子一旦被移除,其周围表面原子的配位类型也会相应改变[17]㊂当待刻蚀原子被移除后,其相邻原子分子键数量减少导致容易被移除,最终会在晶体表面以移除原子为中心向周围不断扩散而引起台阶流动或刻蚀剥离现象发生㊂图7为C (0001)蓝宝石晶面刻蚀过程中台阶流动演化示意图,图中刻蚀截面原子按照台阶结构被划分为T 型台地原子㊁S 型台阶原子,ET 型阶边台地原子,RT 型阶扰台地原子四种类型㊂研究发现,刻蚀过程中ET 原子由于具有较高的刻蚀活跃性而易被刻蚀,且氧原子的活跃性显著高于铝原子㊂分析发现,在刻蚀初期,裸露表面的T 型原子被首先移除形成初始的台阶结构,接着生成的ET 型原子因具有较少分子键1132㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷而造成键能不足被快速移除引起台阶拓展,形成流动效应㊂刻蚀过程中新旧台地上的T型原子均具有同等刻蚀概率,导致出现新台阶结构和发生新的台阶流动,最终出现多层台阶结构,如图7所示㊂也就是说,具有较高刻蚀速率的蓝宝石晶面正是因为大量T和ET原子的快速刻蚀而导致了较高的V terrace和V step速率,最终宏观上表现为晶面高刻蚀速率[18]㊂图6㊀蓝宝石原子结构㊂(a)晶胞结构;(b)(0001)晶面结构;(c)(1120)晶面结构Fig.6㊀Atomic structure of sapphire.(a)Cell structure;(b)(0001)crystal plane structure;(c)(1120)crystal planestructure图7㊀(0001)晶面台阶原子类型及台阶流动演化过程示意图Fig.7㊀Schematic diagram of step structure and step flow evolution process on(0001)plane3㊀刻蚀条件对蓝宝石刻蚀微结构形貌影响作用分析大量的实验研究表明,单晶材料湿法刻蚀各向异性特征深受外部刻蚀条件影响,例如刻蚀液温度㊁浓度㊁配比比例等刻蚀条件的选择往往直接决定着衬底刻蚀速率和表面形貌[19]㊂为了充分研究外部刻蚀条件对蓝宝石各向异性特征的影响作用,本研究采用单因素实验法针对刻蚀液成分配比和刻蚀温度两个方面对比分析,最终明确最优刻蚀条件为MEMS微纳米器件加工生产提供参考㊂3.1㊀刻蚀液成分配比对蓝宝石微结构形貌影响刻蚀溶液:98%H2SO4;85%H3PO4;98%H2SO4ʒ85%H3PO4=5ʒ1&3ʒ1&1ʒ1;刻蚀温度:温度300ħ(ʃ5ħ);㊀第6期张㊀辉等:蓝宝石晶体湿法刻蚀各向异性研究与机理分析1133㊀刻蚀时间:20min,不搅拌;刻蚀对象:蓝宝石C (0001)晶片图8为刻蚀温度300ħ下四种不同配比刻蚀液刻蚀20min 时C (0001)晶片刻蚀形貌,其中:结构面呈V 字形,由两个表面光滑晶面组成;缺点是沟槽内产生了大量颗粒状杂乱凸起,导致刻蚀形貌质量较差而无法满足器件使用要求,后经双晶X 射线衍射仪分析发现颗粒物为Al 2(SO 4)3和Al 2(SO 4)3-17H 2O 的混合结晶沉积物㊂2)当刻蚀液为浓度85%H 3PO 4时,蓝宝石晶面格栅掩膜被严重剥离且蓝宝石晶面几乎没有被刻蚀,也就是说单一浓磷酸无法完成对蓝宝石的刻蚀加工㊂3)当刻蚀液为98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4=5ʒ1时,其刻蚀结构面形貌特征与采用98%H 2SO 4单一配比刻蚀液时结果相近,即:两结构侧面表面光滑且沟槽内存在较大的颗粒状凸起;但差异之处在于:添加磷酸后,突起数量有所变少且大小较为均匀㊂4)当刻蚀液为98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4=3ʒ1时,蓝宝石晶面格栅掩膜发生了轻微的剥离现象,刻蚀结构面呈V 字形,表面存在轻微的条棱状突起,形貌质量相对较高㊂5)当刻蚀液为98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4=1ʒ1时,蓝宝石晶面格栅掩膜发生了较为严重的不规则剥离,破坏了原有格栅边界并导致了不规则杂乱刻蚀形貌,同时由于结晶沉淀物的微掩膜作用产生了少量三角锥状凸起㊂图8㊀300ħ,不同配比刻蚀液刻蚀20min 时C (0001)晶片格栅掩膜刻蚀形貌㊂(a)浓度98%H 2SO 4刻蚀液;(b)浓度85%H 3PO 4刻蚀液;(c)98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4=5ʒ1刻蚀液;(d)98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4=3ʒ1刻蚀液;(e)98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4=1ʒ1刻蚀液Fig.8㊀In different component solution at 300ħfor 20min,the etched microstructure displayed on C (0001)substrate.(a)98%H 2SO 4;(b)85%H 3PO 4;(c)98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4=5ʒ1;(d)98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4=3ʒ1;(e)98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4=1ʒ1综上可见,蓝宝石刻蚀溶液添加一定比例的浓磷酸作为缓冲剂,能够有效降低结晶物沉积吸附和减少颗粒状突起产生,但同时也会引起掩膜剥离导致表面形貌质量的下降㊂上述实验中,相比其他比例浓磷酸的添加,刻蚀液为98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4=3ʒ1时,蓝宝石微结构刻蚀获得了较高的加工质量㊂3.2㊀刻蚀温度对蓝宝石微结构形貌影响刻蚀溶液:98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4=3ʒ1;刻蚀温度:245ħ(ʃ5ħ);275ħ(ʃ5ħ);300ħ(ʃ5ħ);刻蚀时间:20min,不搅拌;刻蚀对象:蓝宝石C (0001)晶片1134㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷图9展示了刻蚀液配比98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4=3ʒ1时,在不同刻蚀温度条件下刻蚀20min 时C (0001)晶片刻蚀形貌,如图9(a)~(c)所示,可见:当刻蚀温度由245ħ逐步提高到300ħ时,晶体微结构成型速度明显提升但结构面表面形貌明显变粗糙,呈现条棱状突起,且右侧面相比左侧面更加严重[6]㊂分析发现,在刻蚀速度方面,温度每提高大约30ħ,刻蚀速度将增加接近一倍,如图9(d)所示;在表面形貌方面,300ħ时结构面表面形貌质量相比275ħ时有所下降,其表面形成了大量小而密集的条棱状突起,这是因为温度的提升致使掩膜层边缘发生了锯齿状微剥离缺失,导致了刻蚀时结构面条纹棱的出现㊂此外,右侧面相比左侧面条纹棱相对严重,是因为左右两侧面晶面组成不同,其原子结构的差异导致刻蚀过程中原子台阶流动形态不同,也就是刻蚀过程中右侧面T 型台地原子相比左侧面更加容易被移除,而ET 型阶边台地原子和RT 型阶扰台地原子却相比左侧面移除难度更大,最终引起了差异,形貌对比如图9(e)~(g)所示㊂图9㊀刻蚀液配比98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4=3ʒ1条件下,不同温度刻蚀20min 时C (0001)晶片刻蚀形貌㊂(a)245ħ;(b)275ħ;(c)300ħ;(d)刻蚀深度数据;(e)275ħ时右侧面表面形貌;(f)300ħ时左侧面表面形貌;(g)300ħ时右侧面表面形貌Fig.9㊀In 98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4=3ʒ1solution for 20min,the etched microstructure displayed on C (0001)substrate.(a)245ħ;(b)275ħ;(c)300ħ;(d)etching depth data;(e)275ħ,surface morphology of right side;(f)300ħ,surface morphology of left side;(g)300ħ,surface morphology of right side 综上可见,温度的提升只是加速了反应速度并没有改变晶面间相对刻蚀速率,因此成型结构面没有发生变化㊂根据以上实验结果可知,刻蚀温度为275ħ时,能够保证较优的表面质量情况下,获得较快的刻蚀速率㊂4㊀结㊀㊀论本研究开展了大量对比实验和理论研究,充分分析了蓝宝石各向异性特征和产生机理,并明确了外部刻蚀条件对蓝宝石刻蚀微结构和表面形貌影响规律㊂研究结果表明:浓磷酸作为刻蚀缓冲剂可以很好地消除结晶沉积物实现刻蚀结构面质量的提高;刻蚀温度提高可以加快刻蚀反应速度,但同时会降低表面质量;不论是添加浓磷酸还是改变刻蚀温度,均不会引起蓝宝石晶体整体各向异性特征的改变㊂根据实验验证结果,相比其他刻蚀条件,275ħ,98%H 2SO 4ʒ85%H 3PO 4=3ʒ1配比刻蚀液能够确保较高刻蚀速率的同时获得更好的刻蚀结构面表面质量㊂㊀第6期张㊀辉等:蓝宝石晶体湿法刻蚀各向异性研究与机理分析1135㊀参考文献[1]㊀ZHANG H,XING Y,GOSÁLVEZ M A,et al.Removal probability function for kinetic Monte Carlo simulations of anisotropic etching of siliconin alkaline etchants containing additives[J].Sensors and Actuators A:Physical,2015,233:451-459.[2]㊀XING Y,GOSÁLVEZ M,SATO K,et al.Evolutionary determination of kinetic Monte Carlo rates for the simulation of evolving surfaces inanisotropic etching of silicon[J].J Micromech Microeng,2012,22:085020.[3]㊀GOSÁLVEZ M A,CHENG D,NIEMINEN R M,et al.Apparent activation energy during surface evolution by step formation and flow[J].NewJournal of Physics,2006,8(11):269.[4]㊀WANG J,GUO L W,JIA H,et al.Fabrication of patterned sapphire substrate by wet chemical etching for maskless lateral overgrowth of GaN[J].Journal of The Electrochemical Society,2006,153(3):C182-C185,2006[5]㊀GROSSE A,GREWE M,FOUCKHARDT H.Deep wet etching of fused silica glass for hollow capillary optical leaky waveguides in microfluidicdevices[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2001,11(3):257-262.[6]㊀CHEN Y C,LIN B W,HSU W C,et al.The formation of smooth facets on wet-etched patterned sapphire substrate[J].ECS Journal of SolidState Science and Technology,2014,3:R5-R8.[7]㊀GAO Z D,WANG Q J,ZHANG Y,et al.Etching study of poled lithium tantalate crystal using wet etching technique with ultrasonic assistance[J].Optical Materials,2008,30(6):847-850.[8]㊀LIN Y C,ONO T,ESASHI M.Fabrication and characterization of micromachined quartz-crystal cantilever for force sensing[J].J MicromechMicroeng,2005,15:2426.[9]㊀GOSÁLVEZ M,FERRANDO N,XING Y,et al.Simulating anisotropic etching of silicon in any etchant:evolutionary algorithm for thecalibration of the continuous cellular automaton[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2011,21:065017.[10]㊀FERRANDO N,GOSÁLVEZ M A,COLÓM R J.Evolutionary continuous cellular automaton for the simulation of wet etching of quartz[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2012,22(2):025021.[11]㊀CHENG D,SATO K,SHIKIDA M,et al.Development of quartz etching database and3-D micromachining simulation system[C]//MHS2003.Proceedings of2003International Symposium on Micromechatronics and Human Science(IEEE Cat.No.03TH8717).October19-22,2003, Nagoya,Japan.IEEE,2003:281-285.[12]㊀DWIKUSUMA F,SAULYS D,KUECH T F.Study on sapphire surface preparation for III-nitride heteroepitaxial growth by chemical treatments[J].Journal of the Electrochemical Society,2002,149(11):G603.[13]㊀幸㊀研,张㊀辉,李㊀源.用于半球试件湿法刻蚀各向异性速率测试的可调整式夹具:CN104924234B[P].2016-11-23.XING Y,ZHANG H,LI Y.An adjustable fixture for testing the anisotropy rate of wet etching of hemispherical specimens:CN104924234B[P].2016-11-23.[14]㊀蔡鹏鹏.石英各向异性湿法刻蚀特性及模拟研究[D].南京:东南大学,2016.CAI P P.Characteristics and simulation of anisotropic wet etching in Shi Ying[D].Nanjing:Southeast University,2016(in Chinese). [15]㊀幸㊀研,朱㊀鹏,倪中华,等.多次掩模湿法腐蚀硅微加工过程的蒙特卡罗仿真[J].机械工程学报,2009,45(1):239-243.XING Y,ZHU P,NI Z H,et al.Monte Carlo simulation of multiple masking processes for anisotropic wet etching[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2009,45(1):239-243(in Chinese).[16]㊀郭志越.单晶蓝宝石湿法刻蚀机理及表面形貌研究[D].南京:东南大学,1998.GUO Z Y.The anisotropic mechanism and topography research of wet etching of single-crystal sapphire[D].Nanjing:Southeast University,1998 (in Chinese).[17]㊀王树桥,幸㊀研,田㊀秘,等.混合进化算法的Metropolis蒙特卡罗MEMS单晶硅湿法刻蚀工艺模型[J].机械工程学报,2013,49(5):167-172.WANG S Q,XING Y,TIAN M,et al.Hybrid evolutionary-metropolis Monte Carlo algorithm for wet etching of silicon MEMS fabrication process[J].Journal of Mechanical Engineering,2013,49(5):167-172(in Chinese).[18]㊀ZHANG H,XING Y,ZHANG J,et al.Evolutionary kinetic Monte Carlo method for the simulation of anisotropic etching of Z-cut,at-cut and BT-cut quartz[C]//201719th International Conference on Solid-State Sensors,Actuators and Microsystems(TRANSDUCERS).June18-22,2017, Kaohsiung,Taiwan,China.IEEE,2017:1308-1311.[19]㊀TANG B,SHIKIDA M,SATO K,et al.Study of surfactant-added TMAH for applications in DRIE and wet etching-based micromachining[J].JMicromech Microeng,2010,20:065008.。

利用湿法刻蚀在硅片加工出V形槽条纹1刻蚀原理硅的湿法刻蚀是指利用含有腐蚀剂的溶液对硅进行腐蚀, 可分为各向同性腐蚀技术和各向异性腐蚀技术。

各向同性腐蚀是指各个晶向上的腐蚀速率相同, 衬底和表面取向的不同对腐蚀速率的影响不大。

各向异性腐蚀是指硅的不同晶面在某些特定的腐蚀液中被刻蚀的速率不同, 导致各个晶向的腐蚀速率不同。

现出结构边缘平滑的现象。

各向同性腐蚀液常用HF、HN O3 和H2O(CH3COOH) , 用这些腐蚀液很难实现选择性腐蚀, 并且很难能找到能够长时间承受腐蚀的材料。

各向异性腐蚀液包括无机腐蚀剂和有机腐蚀剂两种, 其中无机腐蚀剂为NH4OH、KOH 和NaOH 等碱性溶液, 有机腐蚀剂为TMAH、EPW( 邻苯二酚、乙二胺、水) 和联胺。

通常情况下选用KOH、( CH3 ) 2CHOH ( 异丙醇也叫IPA) [ 8] 和水作为各向异性腐蚀液, 则根据硅在腐蚀液中的腐蚀机制可表示如下：KOH+ H3O=K++2OH-+H+Si+ 2OH- + 4H2O=Si( OH)6 2-Si( OH) 62-+ 6( CH3) 2CH OH= [ Si( OC3H7 ) ] 62-+ 6H2O然后，络合产物与异丙醇作用生成可溶解。

2工艺实现为实现利用湿法刻蚀在硅片加工出V形槽条纹这一目标，需要三步工艺：氧化，光刻，硅腐蚀。

图1硅单晶晶体结构在本文中用（100）双面抛光硅片来叙述，图2中V型槽的两个斜面为(111)晶面，底面为(100)晶面。

由晶体结构计算斜面（111）与地面（100）夹角54.736°。

当腐蚀的时候，从（100）硅片上沿着（110）方向腐蚀时掉需要腐蚀的硅原子，从而暴露出倾角为54.736°的（111）面，双面进行就会形成V型槽结构。

由于硅片的腐蚀存在备向异性，硅(111)晶面的腐蚀速度远小于(100)面的。

因此，只要选择适当的腐蚀温度和时间，就能得到如图2所示的硅片V型槽。

MEMS的主要工艺类型与流程（LIGA技术简介）目录〇、引言一、什么是MEMS技术1、MEMS的定义2、MEMS研究的历史3、MEMS技术的研究现状二、MEMS技术的主要工艺与流程1、体加工工艺2、硅表面微机械加工技术3、结合技术4、逐次加工三、LIGA技术、准LIGA技术、SLIGA技术1、LIGA技术是微细加工的一种新方法，它的典型工艺流程如上图所示。

2、与传统微细加工方法比，用LIGA技术进行超微细加工有如下特点：3、LIGA技术的应用与发展4、准LIGA技术5、多层光刻胶工艺在准LIGA工艺中的应用6、SLIGA技术四、MEMS技术的最新应用介绍五、参考文献六、课程心得〇、引言一、什么是MEMS技术1、MEMS的概念MEMS即Micro-Electro-MechanicalSytem，它是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计、制造、具有特定功能的微型装置，包括微结构器件、微传感器、微执行器和微系统等。

一般认为，微电子机械系统通常指的是特征尺度大于1μm小于1nm，结合了电子和机械部件并用IC集成工艺加工的装置。

微机电系统是多种学科交叉融合具有战略意义的前沿高技术，是未来的主导产业之一。

MEMS技术自八十年代末开始受到世界各国的广泛重视，主要技术途径有三种，一是以美国为代表的以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术；二是以德国为代表发展起来的利用某射线深度光刻、微电铸、微铸塑的LIGA(Lithographgalvanfomungundabformug)技术，；三是以日本为代表发展的精密加工技术，如微细电火花EDM、超声波加工。

MEMS技术特点是：小尺寸、多样化、微电子等。

（1）微型化：MEMS体积小（芯片的特征尺寸为纳米/微米级）、质量轻、功耗低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。

例如，一个压力成像器的微系统，含有1024个微型压力传感器，整个膜片尺寸仅为10mm某10mm，每个压力芯片尺寸为50μm某50μm。

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。

化　工　纵　横《Co mment s &Review s in C 1I 1》单晶硅各向异性湿法腐蚀机理的研究进展王　涓　孙岳明　黄庆安3　周再发3(东南大学化学化工系,江苏南京210096;3东南大学ME MS 重点实验室,江苏南京210096)摘要　介绍了硅各向异性腐蚀的含义、特点、用途以及常用的腐蚀剂等基本要素;着重论述了试图解释硅各向异性腐蚀行为的几种典型机理,并在此基础上对各腐蚀机理做了简要分析。

关键词　硅　各向异性　湿法腐蚀收稿日期:2004-04-27作者简介:王涓(1980～),女,研究生。

孙岳明(1965～),男,教授,博导,从事配合物的能带结构,催化机理等方面的研究工作。

R esearch Development on Wet Anisotropic E tchingMechanism of Crystal SiliconWang Juan 1　Sun Y ueming 1　Huang Qingan 2　Zhou Z aifa 2(1Depatment of Chemistry and Chemical Engineering ,S outheast University ,nanjing 210096,China ;2Microelectronic Center ,S outheast University ,nanjing 210096,China )Abstract The meanings ,characteristics ,purposes of the anis otropic etching of silcon and frequently used etchants etc.are introduced.And especially the explanations of anis otropic etching mechanisms of crystal silicon are em phasized on.Then a survey of the analysis on the etching mechanisms refered is made.K ey w ords silicon anis otropy wet etching 硅腐蚀技术是硅微机械(Micromachining )加工中最基础、最关键的技术[1],它通常有两种:干法腐蚀和湿法腐蚀。