(100)、(110)硅片湿法各向异性腐蚀特性研究

硅各向异性腐蚀技术研究李倩;崔鑫;李湘君【摘要】The principle of compensation based on two compensation structures was discussed in this paper,and the graphics of compensation was designed and experimented with KOH etchant. The compensation effect of the convex corner according well with expected.%针对两种补偿结构探讨了硅的凸角腐蚀补偿原理,设计了补偿版图,并在KOH腐蚀液中进行实验验证,获得了好的直角凸面补偿效果.【期刊名称】《微处理机》【年(卷),期】2012(033)006【总页数】3页(P12-13,19)【关键词】氢氧化钾;湿法腐蚀;凸角补偿【作者】李倩;崔鑫;李湘君【作者单位】中国电子科技集团公司第四十七研究所,沈阳110032;中国电子科技集团公司第四十七研究所,沈阳110032;中国电子科技集团公司第四十七研究所,沈阳110032【正文语种】中文【中图分类】TN3051 前言湿法腐蚀是微传感器制造工艺中常用的MEMS后处理工艺，利用Si在KOH、TMAH等碱性溶液中的各向异性腐蚀特性实现传感器的腔、槽、台面等结构。

但是在进行Si(100)台面腐蚀时，由于硅的各向异性腐蚀特性，凸角处严重出现切削现象因而导致器件性能改变。

2 各向异性湿法腐蚀技术硅的各向异性腐蚀，是指腐蚀液对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率［1］，基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种微结构。

单晶硅片在其不同方向上对某些腐蚀液具有各向异性，常用的有R(100)＞R(110)＞ R(111)［2］。

在制造硅杯或台面等结构时，常选用(100)面。

2.1 单晶硅湿法异向腐蚀原理单晶硅在有机腐蚀剂和无机腐蚀剂中具有非常类似的腐蚀现象，由此可推出OH－离子是此反应的主要参与者。

KOH溶液中（110）硅片腐蚀特性的研究KOH溶液中(11O)硅片腐蚀特性的研究贾翠萍,董玮,徐宝琨,潘(吉林大学电子科学与工程学院集成光电建旋,周敬然,陈维友子国家重点实验室,长春130012)摘要:研究了在KOH溶液中(110)硅片的腐蚀特性,在保证(1l0)面的平整和{ll1}面的光滑的腐蚀实验条件下,利用(1l0)面和{ll1}面腐蚀选择比大,采用湿法腐蚀技术可以制作高深宽比结构的方式,在(1l0)硅片上设计制作出光开关用微反射镜.在腐蚀过程中光开关悬臂的凸角处产生了削角现象,利用表面硅原子悬挂键的分布特征对产生削角的原因作了合理解释,这为以后研究凸角补偿提供了理论依据.关键词:KOH溶液:(1l0)硅片:凸角;悬挂键中图分类号:TN405.98文献标识码:A文章编号:1003.353X(2005)06.0052.04 StudyontheCharacteristicsofthe(1lo)SiliconEtchedinK0HSolutionJIACui—ping,DONGWei,XUBao—kun,PANJian—xuan,ZHOUJing—ran,CHENWei —youLStateKeyLabonIntegrateOptoelectronics.CollegeofElectronicSciences&Enginee ring,JilinUniversity,Changchgin13O012,China)Abstract:Thecharacteristicsofthe(110)siliconetchedinKOHsolutioniSstudied.Onthe experimentalconditionoftheflatetched(110)planeandthesmooth{111}planes,thehigh—respect—ratiostructurecanbefabricatedduetothehighetchratioofthe(110)planeto{111}planes.Inthi sway,themicromirrorfortheopticalswitchcanbefabricatedinthe(1101silicon.Butwhentheb eamoftheopticalswitchisformed,undercutOccursontheconvex.Anditcanbeexplainedbythe danglingbondsofthesiliconatom,whichisthebasictheoryforthefurtherstudyoftheconvex compensation.Keywords:KOHsolution;(110)silicon;convex;danglingbonds1引言采用KOH溶液进行各向异性腐蚀硅是微机械加工中的一项重要技术,利用它可以形成方形,矩形的硅膜片以及其他复杂的三维结构,在传感器,执行器及微机械制作领域具有非常广泛的应用.有关(100)硅片的各向异性腐蚀技术的研究和应用比较多,而(1l0)硅片在腐蚀时,表现出与(100)硅片不同的特性,能够形成的垂直于衬底的{lll}面,可以提供大面积,高质量的光学表面,在光基金项目:国家重点计划863项目(2002AA312023)52半导体技术第30卷第6期学领域具有广泛的应用.在KOH溶液中,腐蚀(1l0)面与{lll}面的选择比很高,可以形成高深宽比微结构.利用可以实现高深宽比结构的方式在(1l0)硅片上制作的微反射镜【1】已应用于分束器,硅标准器,法布里.珀罗干涉仪和迈克尔逊干涉仪等.本文主要研究了在KOH溶液中(1l0)硅片的腐蚀特性,即KOH溶液的浓度和温度对腐蚀的(1l0)衬底表面和垂直于衬底的{lll}侧面平整度和光滑性的影响.利用在KOH溶液中(1l0)面和{lll}面腐蚀选择比大的特点,可以在(1l0)硅片上设计制作光开关用微反射镜.但在腐蚀过程2005年6月2tr.#-g丝术■log)中,光开关悬臂凸角处产生了削角,本文从表面硅原子悬挂键}2_,】的分布特征对削角产生的原因进行了解释.2实验研究在(110)硅片上有4个与硅片水平(110)面垂直的{111}面,它们分别是(1.I1),(一11—1),(_l11)和(1_I_I),如图1所示.这四个晶面两两平行,彼此间的夹角为70.53..实验中首先用扇形定位结构[4】在(110)硅片上精确确定{111}晶面的方位.在光刻对版时,图形方位与晶体内部{1l1}面的方位稍有偏离,腐蚀出的{111}侧面就会出现侧棱现象.因此为得到光滑平整的{111}面,必须采用定位结构来确定{111}晶面方位.腐蚀后得到侧面为垂直于(110)面的U形槽结构,如图2所示.u型槽的侧面是{111}面,底面为(110)面.图l(1l0)硅片上{ll1}面的分布情况{lll}面图2KOH溶液腐蚀后的(1l0)面和{lll}面采用KOH溶液腐蚀在(110)硅片上制作微结构,不仅要有垂直光滑的{1111侧面,也需要有平整的(110)底面.因此进行器件结构制作前要对它们在KOH溶液中腐蚀呈现表面平整光滑的条件有所了解.图3为温度为70℃不同浓度KOH溶液利用磁力搅拌器腐蚀的(110)面情况.由图中可以明显看到KOH溶液浓度低于40%时,腐蚀得到一簟■一■图370℃不同浓度KOH溶液腐蚀(1】0)面的SEM图的(110)表面有许多的棱状结构,整个表面起伏不平;而溶液浓度大于40%时,(110)面的表面出现丘状突兀,同样表面也是凸凹不平;只有溶液浓度在40%的情况下腐蚀得到的(110)面平整性比较好.因此,实验选用浓度为40%的KOH腐蚀溶液.除了KOH溶液浓度对腐蚀的(110)面有影响外,腐蚀液的温度也是必不可少的考虑因素.图4为不同温度下40%KOH溶液腐蚀的(110)面.由图可以直接观察到腐蚀的(110)面随KOH溶液温度的升高光滑度有所增加.一一■_-图4不同温度40%K0H溶液腐蚀(1】0)面的SEM图实验还发现,{111}面的光滑程度随KOH溶液浓度和温度的变化基本保持不变.70℃下40%的KOH溶液腐蚀的{111}面,用原子力显微镜测量其粗糙度仅为10nm,是较好的光学表面.(110)面和{111}面在KOH溶液中腐蚀速率有很大的差别,图5为(110)面与{111}面的选择比随70~C下KOH溶液浓度的变化情况.K0H溶液浓度在30%～50%,(110)面与{111}面的选择比都在130以上,利用这个特性可以设计制作高深宽比微结SemiconductorTechnologyV o1.30No.653=一:～^=丑辙蚓K0H浓度/wt%图5(1l0)面与{lll}面的选择比随70℃下KOH溶液浓度的变化构.我们在(110)硅片上已制作出了应用于光开关的微反射镜.图6为微反射镜的扫描电镜图,该反射镜的垂直性优于在(100)硅片上制作的微反射镜.图6(1l0)硅片上制作的微反射镜SEM图在(110)硅片上制作光开关,用KOH溶液腐蚀制作悬臂时,悬臂凸角处产生了削角现象,如图7所示,A+,B+定义为凸角,由图可以看出A+,B+两凸角处出现了很明显的削角.产生凸角现象的原因可以通过分析凸角处的表面硅原子悬挂键的分布特征来解释.图8是凸角处表面硅原子的悬挂键情况,由图可以看出对应于A+凸角顶端处的硅原子AA'连线上每个硅原子有两个悬挂键,而相邻的处于{111}面上的每个硅原子只有一个悬挂键.由于两处表面硅原子悬挂键的密度不同,即凸角A+处表面硅原子的悬挂键密度比相邻的处于{111}面上的表面硅原子悬挂键密度大, 致使在化学反应中两处的稳定性有差别,凸角处的54半导体技术第30卷第6期图7KOH溶液腐蚀后的光开关悬臂A图8凸角腐蚀速率较{111)面的大,由此产生了凸角削角.再看B+凸角处BB'连线附近的硅原子悬挂键情况, 和{111}表面硅原子一样,每个硅原子也只有一个悬挂键.但是凸角处表面硅原子的排列密度比{111}面的要大,换句话也可以说是凸角处表面硅原子的悬挂键密度较{111}面硅原子的大.同样由于悬挂键密度的差异使得凸角处和相邻{111}面的腐蚀速率不一致,凸角处的腐蚀速率比{111}面的大,在该处也产生了削角现象.为进一步完善器件的结构,需要进行合理的凸角补偿设计,这部分工作有待于进一步的研究.3结论用KOH溶液腐蚀(110)硅片,腐蚀出垂直于衬底表面的{111}面可以提供大面积,高质量的光学表面,并已被应用到很多的光学元件中.实验研究了KOH溶液浓度和温度对腐蚀的(110)面和{111}面平整度和光滑性的影响,70℃,40%的KOH溶液腐蚀的(110)面比较平整,并且40%KOH溶液腐蚀的(110)面随溶液温度的升高,光滑度有所增加,而腐蚀出的{111}面的平整2005年6月支撑丝木■ii面ogY性基本不随KOH溶液温度和浓度改变.在70℃下KOH溶液浓度为40%的条件下腐蚀出的{111}面,用原子力显微镜测得其表面粗糙度仅为10nm,是较好的光学表面.并且在70℃时KOH溶液浓度在35%～50%范围内测得(110)面和{111{面的选择比都在130以上,可以利用这种特性和相应的工艺条件设计制作高深宽比微结构.我们在(110)硅片上已设计制作出光开关用微反射镜,垂直性优于在(1O0)硅片上制作的反射镜.但在用KOH溶液腐蚀制作光开关悬臂时,悬臂凸角处产生了削角现象,本文从硅原子悬挂键的分布特征对产生削角的原因做了解释,为以后完善器件结构,进行补偿图形的设计提供了较好的理论依据.参考文献:【11UENISHIY,TSUGAIM,MEHREGANYMl Microoptomechanicaldevicefabricatedbyanisotro—picetchingof(100)silicon[J].JMicromechMicroeng, 1995,5:305—312.【2】PALIKED,eta1.Ellipasometricstudyoforientation—dependentetchingofsiliconinaqueousKOH【J】.J Electrochem.Soc,1985,132(4):871.【31PALIKED,eta1.Studyoftheetch—stopmechanism insilicon[J].JElectrochemSoc,l982,l29(9):2051.【4】CIARLODR.Alatchingaccelerometerfabricatedby theanisotropiCetchingOf(110)Orientedsilic0nwafers[J】.JMicromechMicroeng,l992,2:12一l3.(收稿日期:2004l201)作者简介:贾翠萍(1979.),女,山东人,博士研究生,主要研究方向为MOEMS光通信器件;陈维友(1965一),男,博士生导师,主要从事OEDCAD和光电通信器件的研究.(上接第51页)时,R.川.等于O.026(K/W),即使其厚度为100uin,R.All.h也只等于0.131(K/W);当选用热沉粘接胶Ablefilm5020K,:O.7W/m?K,同时其厚度等于20laIll时,.h等于1.457(K/W),当其厚度为1001.tin时,.A¨.h等于7.286(K/W);当我们选用导电型芯片粘接胶Ablebond84—1LMISR4,=2.5W/m?K,同时其厚度等于20l-t1"13时,R.All.h等于0.408(K/W),当其厚度为100lain时,.Alt.h等于2.041(K/W).因此,选用不同的粘接材料对其热阻存在很大的影响,同时,在印刷或涂敷芯片粘接材料时,如何降低材料厚度也十分重要.4结语LED芯片结温最高允许125℃,如果其最差工作环境温度为65℃,则对一个1W的大功率LED来说,考虑到从大功率器件外部热沉的热阻一般为4O(K/W),器件pn结至器件的热阻应小于20(K/W).而对一个5w的大功率LED来说,如果其最差工作环境温度为65℃,则从pn结至环境的热阻要小于12w才能保证芯片结温不超过125℃,而如果选用Ablefilm5020K热沉粘接胶,=O.7w/Ill?K同时其厚度为100laIll,仅芯片粘贴材料的热阻..h就等于7.286(K/W).因此,在Flipchip大功率LED器件的封装中,选用合适的芯片衬底粘贴材料并在批量生产工艺中保证粘贴厚度尽量小,对保证器件的可靠性和出光特性是十分重要的.参考文献:【l】DANIELAS,JEROMECB,DAVEC,eta1.Illumination withsolidstatelightingtechnology[J】.IEEEJonSe- lectedTopicsinQuantumElectronics,2002,8(2):310—320.【2】ApplicationBriefAB23,ThermaldesignconsiderationsforLuxeon5wattpowerlightsources【EB/0L】.http://WWW.1um订.2002—0l—O8.【3】ThermalmanagementofgoldendragonLED[EB/OL].http://www.osram?.2002—0l—l1.(收稿日期:2004ll05)作者简介:余彬海(1965.),男,湖北鄂州人,博士后,电子高级工程师,l997年4月毕业于华中理工大学机电一体化专业,获工学博士学位,现在佛山市国星光电科技有限公司任副总经理,总工程师,主要从事半导体发光器件和半导体照明产品开发工作,专业是半导体发光器件和半导体照明技术研究,主要研究方向为新型大功率发光器件,器件可靠性.SemiconductorTechnologyV o1.30No.655。

收稿日期:2003203206.作者简介:姜胜林(19672),男,教授;武汉,华中科技大学电子科学与技术系(430074).基金项目:国家自然科学基金重大研究计划项目(90201028);国家高技术研究发展计划资助项目(2002AA325080).Si 基片各向异性腐蚀特性研究姜胜林　曾亦可　刘少波　刘梅冬(华中科技大学电子科学与技术系)摘要:为了制备高性能铁电薄膜红外探测器,对Si 微桥的湿化学腐蚀工艺进行了研究.利用Si 基片各向异性腐蚀特性,在四甲基氢氧化铵(简称TMAH )水溶液中加入氢氧化钾(KOH )作为各向异性腐蚀液(简称KTMAH ),研究了TMAH 与KOH 摩尔比、腐蚀浓度、腐蚀温度对Si 基片腐蚀特性的影响.结果表明:Si (100)面的腐蚀速度随着腐蚀液浓度和温度的升高而增大,随着TMAH 与KOH 摩尔比的降低,KTMAH 腐蚀液对掩膜层的腐蚀程度加剧.选用5g/L 的过硫酸盐(PDS )与TMAH 质量分数为25%、TMAH 与KOH 摩尔比为2的KTMAH 混合液作为腐蚀液,并在80℃×2.5h 的腐蚀条件下能得到平整的腐蚀面,可以制备质量较好的微桥结构.关　键　词:Si 基片各向异性;腐蚀特性;KTMAH 腐蚀液中图分类号:TN304 文献标识码:A 文章编号:167124512(2003)1020022204 红外探测器焦平面阵列(U FPA )是红外热成像系统的关键部分,其性能与薄膜材料及其制备工艺密切相关.在材料系列确定的条件下,焦平面阵列制备工艺对红外探测器焦平面阵列性能的影响至关重要.在铁电薄膜单元热释电红外探测器的制备工艺中,利用腐蚀加工技术制备微桥的过程尤为关键,它直接影响到器件的灵敏度.常用的腐蚀法有湿化学腐蚀、电化学腐蚀和激光腐蚀等,其中湿化学腐蚀法加工范围广泛,最为简便实用、经济.U FPA 系统的灵敏元横向尺寸一般为mm 级或亚mm 级,利用Si 基片各向异性腐蚀特性,通过改进传统腐蚀工艺,湿化学腐蚀法可以应用于U FPA 系统的微细图形刻蚀.1　腐蚀实验单晶Si 的各向异性是采用湿化学腐蚀法对其实现精确微细加工的前提条件.此外,单晶Si 的取向、n 型或p 型掺杂浓度、腐蚀剂的组分比例、浓度、温度及搅拌速度都将影响微细图形的形成.以(100)单晶Si 为研究对象,其各向异性腐蚀速度如图1所示[1].由图可清楚看出:以倾斜54.7°的(111)面的腐蚀速度最慢,而以(133)面腐蚀速度最快,因此与(100)面呈35.3°夹角的图1　(100)Si 单晶上的各向异性腐蚀(111)面为腐蚀边界面.利用这种腐蚀特性,可制出轮廓清晰,侧壁十分均匀的V 型槽和悬臂梁.在(100)面上(110)和(110)方向开一个正方型窗口,则可得到四棱锥体腐蚀坑,若适当控制腐蚀时间,则实际得到四棱台腐蚀坑.实验选取厚度为350μm ,电阻率为2.5×108第31卷第10期 华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版) Vol.31　No.102003年　10月 J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Nature Science Edition ) Oct.　2003Ω·cm 的n 型(100)取向单晶Si 作为腐蚀样品,以550nm 厚热氧化SiO 2为腐蚀掩膜层,并以总厚度为1.75μm 的L PCVD SiO 2,Si 3N 4和浓硼扩散(>2×1019cm -3)的强p 型热氧化SiO 2作为腐蚀钝化层来终止腐蚀,避免腐蚀液穿透Si 基片.将光刻出腐蚀窗口阵列的3.8cm Si 基片划为若干单窗口小片,将小片的正面用树脂密封,固化后备用.确定KTMAH 为各向异性腐蚀液.采取TMAH 质量分数为25%水溶液直接溶解KOH晶体的方法,先配制出TMAH 与KOH 摩尔比为5,4,3,2和1的5种腐蚀液,然后在腐蚀液中均按5g/L 加入PDS 添加剂.将腐蚀液分别倒入不同的试管,并将正面保护的单窗口小硅片置入腐蚀液中,密封试管口以避免TMAH 成分溢失,试管以水浴加热并以恒温温度计调节电炉控温.腐蚀坑的深度采用光学显微镜聚焦法测量,掩膜层的腐蚀速度通过椭偏仪测量其厚度的改变来确定.2　结果与讨论图2是经过80℃,2.5h 腐蚀后硅片的腐蚀坑底的SEM 照片.由图可知,TMAH 与KOH 摩尔比等于4时的腐蚀坑底被一种圆锥状小丘覆盖,坑面很不平整.单个小丘的锥底直径约为60μm ,斜面皱褶较多,正处于四棱锥体形成的初级阶段.随着KOH 含量的增加,腐蚀面的平整度发生了明显变化.当TMAH 与KOH 摩尔比为3时坑底小丘变为棱角清晰的四棱锥体,锥底边长约为20μm ,斜面平滑.经分析四个斜面分别对应为腐蚀速度最低的(111)、(111)、(111)和(111)晶面.当TMAH 与KOH 摩尔比为1时,腐蚀坑底(110)方向的四棱锥体消失,在(110)方向出现许多底边长约为70μm 、深约为10μm 的四棱台小坑,使腐蚀坑底变得凸凹不平.这显然是碱性较强的腐蚀液对晶体的(100)和(111)面进行了更深度腐蚀的结果.图2　经过80℃×2.5h 腐蚀后硅片的腐蚀坑底的SEM 照片 结果表明,TMAH 质量分数为25%、TMAH与KOH 摩尔比为2时的KTMAH 腐蚀液,在80℃×2.5h 的腐蚀条件下能得到平整的腐蚀面.当改变腐蚀温度时仅发现腐蚀深度的变化,而32第10期 姜胜林等:Si 基片各向异性腐蚀特性研究 未发现各腐蚀面的变化;当保持TMAH与KOH 摩尔比为2、腐蚀温度和时间等条件不变,而稀释腐蚀液的TMAH质量分数为15%时,腐蚀深度变浅,腐蚀面变粗糙,经测试发现TMAH与KOH 摩尔比为4的溶液与稀释后的TMAH与KOH 摩尔比为2的溶液具有相差不大的p H值.分析表明,腐蚀面的粗糙度和深度与腐蚀液的碱性强度直接相关,而腐蚀面的形貌与温度基本无关.表1是TMAH与KOH摩尔比为2时不同TMAH质量分数(5%,10%,…,25%)和腐蚀温度下的Si(100)面的腐蚀速度(v TMAH).由表可见,Si(100)面的腐蚀速度随着腐蚀液浓度和温度的升高而增大.在80℃下TMAH与KOH摩尔比为2、TMAH质量分数25%时的KTMAH腐蚀液腐蚀速度约为2.1μm·min-1,是Kazuo Sato等报道的同温同质量分数下单TMAH成份腐蚀液的腐蚀速度的2.3倍[2].后者和TMAH与KOH 摩尔比为2、TMAH质量分数10%时的KTMAH 腐蚀液的腐蚀速度相当.表1　一定条件下Si(100)面的腐蚀速度(μm/min)T/℃w TMAH5%10%15%20%25%600.540.780.99 1.35 1.54 700.680.82 1.24 1.59 1.83 800.790.91 1.43 1.78 2.10 900.95 1.27 1.66 1.92 2.31 有文献报道表明[3],单TMAH腐蚀液的腐蚀速度随着质量分数的升高而降低,其解释为Si 与腐蚀液发生如下反应:Si+2OH-+2H2O→SiO2(OH)2-2+2H2↑生成低溶解度的水合硅酸盐SiO2(OH)2-2.当TMAH质量分数较大即水含量较少时,水合硅酸盐的溶解度下降,更多地沉积于腐蚀坑底及小丘表面,从而影响反应进程并降低反应速度.本实验结果表明KTMAH腐蚀液的腐蚀速度随着质量分数的升高而增加,这与腐蚀液的质量分数升高、碱性增强时腐蚀性也增强的规律相符.分析认为由于KOH成份的引入,腐蚀液与Si的反应更为剧烈,反应中不断生成H2.上升的H2可将沉积的水合硅酸盐托起,避免其覆盖腐蚀坑底及小丘表面,使反应得以正常进行,而腐蚀液也可对坑底小丘进行更为彻底的腐蚀[4].图3是经过80℃×2.5h腐蚀后硅片的掩膜层的SEM照片.图中显示,TMAH质量分数为25%、TMAH与KOH摩尔比等于3时的KTMAH腐蚀液对SiO2掩膜层基本无影响,SiO2层仍能保持热氧化形成时的凸凹不平但较致密的原貌.此时的SiO2掩膜层表面呈现彩色衍射花纹,表明其厚度也未发生大的变化.当腐蚀液的TMAH与KOH摩尔比为2时,掩膜层表面变得较光滑,衍射花纹减少,出现(110)方向的、底面直径约为4μm的圆锥形钻蚀孔,其深度应已穿透图3　一定条件下的SiO2掩膜层的SEM照片550nm的SiO2层.这表明腐蚀液开始腐蚀SiO2层的凸起部分使其平整,但SiO2层的原凹陷部分依然存在,因为纯Si层的腐蚀图形应是四棱锥(或四棱台).当腐蚀液的TMAH与KOH摩尔比为1时,掩膜层表面无衍射花纹,出现底边长约为10μm、深度约为3μm的四棱台,这说明SiO2层已被完全腐蚀,腐蚀液开始腐蚀单晶Si.根据以上分析,图4示出了随着KOH质量分数的增加, KTMAH腐蚀液对掩膜层的腐蚀程度.通过椭偏仪测量掩膜层厚度的改变可计算出不同腐蚀液在不同温度下对掩膜层的腐蚀速度,图4　随着w K OH的增加,KTMAH腐蚀液对掩膜层的腐蚀程度如表2所示.经计算在2.5h内腐蚀完550nm的SiO2掩膜层所需平均腐蚀速度为36.7×10-10 m·min-1.由表可发现,TMAH质量分数为25%、TMAH与KOH摩尔比为2时KTMAH腐蚀液42 华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版) 第31卷表2　不同腐蚀液在不同温度下对掩膜层的腐蚀速度/nm ·min-1T /℃TMAH 与KO H 的摩尔比32160-10.723.370-15.027.480 6.117.837.9909.024.642.5的腐蚀速度小于该值,但存在掩膜层的局部钻蚀现象.考虑到该腐蚀液对Si 牺牲层的良好腐蚀性能及背面掩膜层的少量钻蚀对U FPA 器件性能影响很小,因此本文选用5g/L 的PDS 与TMAH质量分数为25%、TMAH 与KOH 摩尔比为2的KTMAH 的混合液作为腐蚀液,并在80℃×2.5h 的腐蚀条件下制备正式U FPA 器件的微桥.图5是腐蚀得到的U FPA 器件的单个微桥.由图可见,微桥呈四棱台型,基片的上下表面及微桥侧壁均较平整.腐蚀2h 后的微桥深度约为250μm ,厚度约为100μm ;腐蚀2.5h 后的微桥深度为305μm ,厚度约为45μm.微桥(111)面的倾斜角约为35°,与图1分析的(100)Si 单晶的各向异性腐蚀特征符合较好.这表明采用改进的腐蚀装置和腐蚀液后,有效地提高了腐蚀效率和微桥质量.图5　腐蚀得到的U FPA 器件的单个微桥形貌参考文献[1]Tabata O ,Asahi R ,Funabashi H ,et al.Anisotro picetching of silicon in TMAH solutions.Sensors and Ac 2tuators A ,1992,34:51～57[2]K azuo Sato ,Mitsuhiro Shikida ,Takashi Y amashiro ,etal.Anisotropic etching rates of single 2crystal silicon for TMAH water solution as a function of crystallographicorientation.Sensors and Actuators A ,1999,73:131～137[3]Baude P F ,Y e C ,Tamagawa T ,et al.Fabrication ofsol 2gel derived ferroelectric Pb 0.865La 0.09Zr 0.65Ti 0.35O 3optical waveguides.J.Appl.Phys.,1993,73(11):7960～7962[4]刘少波.BST 铁电薄膜的制备及其非致冷红外焦平面阵列的研究:[博士学位论文].武汉:华中科技大学电子科学与技术系,2002.The anisotropy of etching solution properties of Si substratesJiang S hengli n Zeng Yike L i u S haobo L i u Mei dongAbstract :The Si micro 2bridge was fabricated by wet chemical etching technique in order to get good in 2frared thermal imaging system with ferroelectric thin films.The effect on the anisotropy of etching solution was studied by changing the mol ration of TMAH/KOH in the etching solution ,temperature and time.The results indicated that the etching solution velocity of Si (100)increased with the increasing of the etch 2ing solution concentration and temperature ,and the etching solution degree was speeded up with the de 2creasing of the mol ratio of TMAH/KOH for different system.G ood micro 2bridge can be obtained in the system when PDS is 5g/L ,the quality percentage of TMAH is 25%,the mol ratio of TMAH/KOH is 2,and the technique is 80℃×2.5h.K ey w ords :anisotropy of Si substrates ;etching solution properties ;KTMAH etching solutionJiang Shenglin Prof.;Dept.of Electronic Science &Tech.,Huazhong Univ.of Sci.&Tech.,Wuhan430074,China.52第10期 姜胜林等:Si 基片各向异性腐蚀特性研究 。

硅的湿法腐蚀技术1 湿法腐蚀简介1.1 湿法腐蚀的历史与研究现状湿法腐蚀技术的历史可以追溯到15 世纪末或16 世纪初，人们以蜡作掩膜，用酸在盔甲上腐蚀出装饰图形。

而各向同性腐蚀是20 世纪50 年代开发的一项半导体加工技术。

各向异性湿法腐蚀技术可以追溯到20 世纪60年代中期，那时贝尔实验室用KOH、水和乙醇溶液进行硅的各向异性湿法腐蚀，后来改用KOH 和水的混合溶液[1]。

湿法腐蚀是使用液态腐蚀剂系统化的有目的性的移除材料，在光刻掩膜涂覆后（一个曝光和显影过的光刻胶）或者一个硬掩膜（一个光刻过的抗腐蚀材料）后紧接该步腐蚀。

这个腐蚀步骤之后，通常采用去离子水漂洗和随后的掩膜材料的移除工艺。

国外对硅的湿法腐蚀的研究起步较早，已取得相当多的研究成果。

国外对硅的湿法腐蚀的研究主要集中于腐蚀剂、腐蚀剂浓度、添加剂、温度、腐蚀时间等因素对腐蚀速率、腐蚀选择性、粗糙度等结果的影响。

1.2 湿法腐蚀的分类湿法化学腐蚀是最早用于微机械结构制造的加工方法。

所谓湿法腐蚀，就是将晶片置于液态的化学腐蚀液中进行腐蚀，在腐蚀过程中，腐蚀液将把它所接触的材料通过化学反应逐步浸蚀溶掉。

用于化学腐蚀的试剂很多，有酸性腐蚀剂，碱性腐蚀剂以及有机腐蚀剂等。

根据所选择的腐蚀剂，又可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀剂。

各向同性腐蚀是指硅的不同方向的腐蚀速率相同。

各向异性腐蚀则是指硅的不同晶向具有不同的腐蚀速率，也即腐蚀速率与单晶硅的晶向密切相关。

图1.1给出了各向同性腐蚀和各向异性腐蚀的截面示意图[2]。

硅的各向同性腐蚀液对硅片的所有晶面都有着相近的腐蚀速率，并且腐蚀速率通常都相当大。

各向同性腐蚀的试剂很多，包各种盐类(如CN基、NH 基等)和酸，但是由于受到能否获得高纯试剂，以及希望避免金属离子的玷污这两个因素的限制，因此广泛采用HF—HNO3腐蚀系统。

各向异性湿法腐蚀是指腐蚀剂对某一晶向的腐蚀速率高于其他方向的腐蚀速率。

腐蚀结果的形貌由腐蚀速率最慢的晶面决定。