硅的各向异性湿法腐蚀工艺及其在微纳结构中的应用研究

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光纤定位硅v型槽的设计和制作

摘要通过光纤把外部光源引入ｓｏＩ集成光路时，为减少偶然因素对耦合效率的影响．需解决光纤定位问题，以及为提高多通道波导型器件、半导体激光器阵列、光开关阵列等与圯纤的耦合效率问题，作者利用单晶硅材料，设计并制作出具有高精度光纤定位功能的硅Ｖ型槽及其阵列。

本文围绕硅Ｖ型槽的设计和制作．从理论上详细分析了单模光纤与脊形波导的模式特点，得出最佳的耦合条件，在此基础上设计出最合适的硅Ｖ型槽结构。

在实践上．对制作工艺积极探索，提出新的制备硅掩蔽膜的工艺方案，对影响光刻质量的因素深入分析，试验摸索出适用于Ｖ型槽的各向异性湿法腐蚀的腐蚀液配方，独立优化设计了制作硅Ｖ型槽的相关３－艺，制作出高质量的硅Ｖ型槽。

并展示了它广阔的应用前景和科研产。

％的开发价值。

关键词：光纤定位，Ｖ型槽，掩蔽膜，各向是。

缈蚀ＡＢＳＴＲＡＣＴＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｎｅｍｐｈａｓｉｓｉｓｐｕｔｏｌｌｉｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆ～一ｇｒｏｏｖｅａｒｒａｙｓ．Ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｗｅｕｓｅｉｓｍｏｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｍ·ｓｉｌｉｃｏｎ．ＳｉｌｉｃｏｎＶ—ｇｒｏｏｖｅｓｔｌｕｃｔｕｒｅｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｆｉｂｅｒｗｉｔｈｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ．ＳｏｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓａｂｏｕｔｈｏｗｔｏｍａｋｅｌｉｇｈｔｉｎｔｏＳ０１ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙａｎｄｃｏｕｐｌｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌｗａｖｅｇｕｉｄｅｄｅｖｉｃｅｓａｎｄｆｉｂｅｒｓｃａｎｂｅｓｏｌｖｅｄ．Ｔｈｅｃｏｕｐｌｅｄｍｏｄｅｔｈｅｏｒｙｏｆｓｉｎｇｌｅ—ｍｏｄｅｆｉｂｅｒａｎｄｒｉｄｇｅｗａｖｅｇｕｉｄｅｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｂｅｓｔｃｏｕｐｌｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉＳｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｍａｋｅｓａｒｅａｓｏｎａｂｌｅｐｒｏｇｒａｍ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍａｋｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｒｙｗｉｔｈｐｒａｃｔｉｃｅ，ａｌｏｔｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｏｎｅ．Ｍａｓｋ—ｍａｋｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｈｏｔｏｅｔｃｈｉｎｆｉａｎｄｗｅｔ—ｅｔｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．ＴｈｅａｕｔｈｏｒａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｖａｌｕｅｏｆｓｉｌｉｃｏｎＶ—ｇｒｏｏｖｅａｒｒａｙｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｉｂｅｒｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ，Ｖｇｒｏｏｖｅ，Ｍａｓｋ，Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｅｔｃｈｉｎｇ．第一章绪论§１．１引言在人类进入信息社会的重要历史时期，发展信息产业已成为各发达国家着眼于２１世纪综合国力竞争的焦点，信息产业将是下世纪衡量和表现一个民族创造与发展能力、生存能力的重要领域。

各向异性刻蚀LIGA工艺牺牲层技术硅的各向同性刻蚀湿法

湿法刻蚀技术 a．各向同性刻蚀 b．各向异性刻蚀
LIGA工艺牺牲层技术
Micro-System
硅的各向同性刻蚀 (湿法)
湿法刻蚀是微系统中材料去除技术的一种，尤其在体硅去除上占据重要地位。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局域化阳极和阴极。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腐蚀电流(有报导超过100A/cm2). 每一个局域化区(大于原子尺度)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作用的时间大致相等，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等因素对腐蚀的选择性和速率多会有很大的影响。
HNO3的作用
可见，阳极反应需要空穴，这可由HNO3在局域阴极处被还原而产生。在HNO2杂质存在时，反应按下式进行
HNO2+HNO3>>>>N2O4+H2O N2O4=2NO2 2NO2=2NO2-+2e+ 2NO2-+2H+=2HNO2 最后式中所产生的HNO2再按第一式反应，反应生成物则自身促进反应，因此这是自催化反应。第一式反应是可逆控制反应，故有时加入含有NO2-的硝酸铵以诱发反应。因为NO2-在反应中是再生的，所以氧化能力取决于未离解的HNO3的数量。整个刻蚀反应有一个孕育期，孕育期间HNO2开始自催化，紧接着是HNO2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HF中反应，形成可溶性络合物H2SiF6。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

KOH溶液中（110）硅片腐蚀特性的研究

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。

硅的湿法腐蚀

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。

硅(100)晶面各向异性腐蚀的凸角补偿方法

1）热氧化生长二氧化硅（SiO2）；
2）低压化学气相沉积（low pressure chemical vapor
deposition, LPCVD）淀积氮化硅（Si3N4 ）;
3）采用凸角补偿掩模板进行光刻，并刻蚀Si3N4和
2019年第38卷第3期
传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies)
25
DOI：10.13873/J. 1000-9787(2019)03-0025-03
硅（100）晶面各向异性腐蚀的凸角补偿方法
郭玉刚'，吴佐飞2,田雷2 （1.中国航发控制系统研究所，江苏无锡214063 ; 2.中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江哈尔滨150001）
收稿日期=2018-12-17
26 的2倍"，如图2所示。
传感器与微系统
第38卷
传感器芯片应用中，凸台主要用于过载保护以及提供应力集中区，因此未特别考虑削角比问题。
O
正方形补偿结构具有补偿图形简单、尺寸计算简便等优点，但补偿图形需占据凸角附近较大的区域，比较适合相对孤立的凸角补偿。而在凸台加工时，需要同时针对相邻的4个凸角进行补偿，大大增加了芯片的尺寸。采用正方形补偿结构进行凸角补偿的实例如图3所示，图中所示为凸角补偿腐蚀掩模板以及实际补偿加工样件。
o引言在硅压阻式压力传感器芯片研制过程中，根据敏感膜
是否带有背岛结构将其分为c型膜和E型膜。在常规的应用条件下,C型膜结构即可满足大部分要求，但当有高过载、高线性度等特殊要求时，需要在敏感膜上增加背岛形成 E型结构，起到过载保护以及提高线性度的作用。
通常压阻式压力芯片以（100）单晶硅为材料，采用表面或体硅微机械加工工艺进行加工，而在体硅微机械工艺中，湿法腐蚀是较早被用于硅基传感器加工的方法，根据腐蚀液的不同，可分为各向异性腐蚀和各向同性腐蚀。经过多年的验证与优化，目前仍然广泛采用的是基于氢氧化钾（KOH）,四甲基氢氧化钱（TMAH）等碱性腐蚀液的各向异性湿法腐蚀3'4：0各向异性腐蚀利用单晶硅（100）与（111）晶面上原子排列密度不同，因而在特定腐蚀液中的腐蚀速度不同的特点，在衬底片掩蔽层上开窗口.即可在衬底硅片上加工出硅杯、质量块、V型槽等结构。在各向异性腐蚀工艺中.具有凸直角结构的质量块无法通过直角掩模直接获得，需要考虑削角腐蚀问题。本文针对削角腐蚀问题进行了凸角补偿试验，为研制具有过载保护结构的压

(100)、(110)硅片湿法各向异性腐蚀特性研究

ｓｕｓｐｅｎｄｅｄｂｅａｍｓ，ｇｒｏｏｖｅ，ｔａｂｌｅ－ｂｏａｒｄ，ｅｔｃ．Ｉｎｍａｎｙｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｃｏｎｔｒｏｌｅｔｃｈｅｄｓｕｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｉｓｔｈｅｇｒｅａｔｅＳｔｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ，ａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｓｍｏｏｔｈ，ｄｅｆｅｃｔ－ｆｒｅｅｓｉｌｉｃｏｎｓｕｒｆａｃｅｉｓｅ鼹ｅｎｆｉａｌｆｏｒｄｅｖｉｃｅ．啊比ｓｔｕｄｙｏｆａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｅｔｃｈｉｎｇｉｓｐｒｏｐｉｔｉｏｕｓｔｏｇｅｔｍｏｒｅｃｏｍｐｌｅｘＭＥＭＳｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ
这些命名虽然不相同，但是实际上指的是同一领域。国际电技术委员会的
武汉理工大学硕士学位论文
定义强调了这些共性：“微系统是微米量级内的设计和制造技术。它集成了多种元件，并适当以降低成本大量生产。＂
二、ＭＥＭＳ的基本特征
一般来讲有以下几个特征：［１－２，５４１１）微型化：ＭＥＭＳ器件尺寸小，在毫米和微米范围之内，区别于一般的宏观的大于ｌｃｍ尺度的机械。它与宏观尺寸的部件不仅不是一个尺寸界限，而是一个在设计思想、制造原理和过程等方面与宏观世界截然不同的概念界限，因此需要新的加工原理和加工方法。一般ＭＥＭＳ器件尺寸小、重量轻，因此具有功耗低、惯性小、谐振频率高、响应时间短等特点。２）以硅基为主ｔ以硅为主材料，但不限于硅材料。硅的机械电气性能优良，强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似，热传导接近钼和钨。而且价格低廉，可以批量生产。３）规模化、低成本：ＭＥＭＳ器件最重要的特征在于利用半导体工艺实现微电子机械系统的大批量生产，重复性好，降低了成本。硅基ＭＥＭＳ几乎可以采用与集成电路制造相同的半导体工艺，一片硅片上可同时制造成百上千个微型电子机械装置或完整的ＭＥＭＳ器件，生产成本低，生产周期短，性能一致性好，对环境的损害小等。４）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在～起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的ＭＥＭＳ器件。５）多学科交叉：微电子机械系统涉及电子、机械、材料制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约当今科学技术发展的许多尖端成果。

MEMS工艺(4体硅微加工技术).讲义

1.KOH system
溶剂：水，也有用异丙醇(IPA) 溶液：20% - 50% KOH 温度： 60 – 80º C 速率：~1um/分钟特点：镜面，易于控制，兼容性差
Si H 2O 2KOH K 2 SiOቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 2H
2
2.EDP system
EPW [NH2(CH2)2NH2乙二胺，C6H4(OH2)2 (邻苯二酚)，H2O] 特点：蒸气有毒，时效较差， P+选择性好
MEMS工艺—— 硅微加工工艺（腐蚀）
梁庭
3920330(o) Liangting@
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。
3、N2H4 （联氨、无水肼）
为有机、无色的水溶液，具有很强的毒性及挥发性，在50oC以上就会挥发，故操作时需在良好装置下及密闭容器中进行。其优点包括相容于IC制程，对于氧化硅(SiO)及氮化硅(SiN)等介电材料蚀刻率低，Ti、Al、Cr、Au 及Pt等金属也无明显蚀刻反应，Ti和Al是目前最常用的金属材料，蚀刻时不需有其它的保护层，降低了制程的复杂性。
腐蚀工艺简介——腐蚀工艺重要性
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）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。

硅微工艺湿法刻蚀常见材料刻蚀剂和刻蚀速率

KOH 10g
H2O 150mL
1um/min
钨
KH2PO434g
KOH
K3Fe(CN)633g
用水稀释至1L
min
铂
HCl 3mL
HNO31mL
20um/min，腐蚀之前在HF中浸泡30S
HCl 7mL
HNO31mL
H2O 8mL
85℃
钯
HCl 1mL
HNO310mL
CH3COOH 10mL
KI 4g
硅微工艺湿法刻蚀常见材料刻蚀剂和刻蚀速率
各种材料的腐蚀剂和腐蚀速率
材料
腐蚀剂
腐蚀速率
Si
HF+HNO3+H2O
最大490um/min
SiO2
NH4F 150g
HF(40%) 70mL
H2O 150mL
23℃时μm/min
Si3N4
49% HF 23℃
85% H3PO4155℃
85% H3PO4180℃
K2Br4O7
KOH
K3Fe(CN)6
1um/min，腐蚀时无气体溢出
H3PO416-19mL
HNO31mL
H2O 0-4mL
，腐蚀GaAs
金
HCl 3mL
HNO31mL
25-50um/min
KI 4g
I21g
H2O 40mL
min
银
NH4OH 1mL
H2O21mL
CH3OH 4mL
min，腐蚀后快速清洗
与IC不兼容，对氧化层腐蚀过快，大量H2气泡
邻苯二酚，乙二胺，水（EDP）/Pyrazine/115℃
35
Si3N41/min
SiO22-5/min

硅的湿法化学腐蚀机理

第34卷　第2期半　导　体　情　报 V o l134,N o12　1997年4月 SE M I CONDU CTOR I N FORM A T I ON A p r11997硅的湿法化学腐蚀机理摘要　我们从晶体生长学的观点评述了单晶的湿法化学腐蚀。

出发点是晶体存在光滑表面和粗糙表面。

光滑表面的动力学是由粗糙表面所缺乏的成核势垒控制,所以后者腐蚀速率要快几个数量级。

对金刚石晶体结构的分析表明,在此晶格中(111)面是唯一的光滑表面,其它面只不过由于表面重构有可能是光滑的。

这样,我们解释了〈001〉方向在KO H∶H2O中的最小腐蚀速率。

关于接近〈001〉方向具有最小腐蚀速率时的腐蚀状态和在H F∶HNO3基溶液中从各向同性腐蚀向各向异性腐蚀转换的两个关键假设,都用实验进行了检测。

结果与理论一致。

1　引言单晶Si、GaA s和石英的各向异性湿法化学腐蚀是微系统制造的关键技术之一。

然而,在特定腐蚀液(例如:KO H∶H2O、ED P、TM A H)中腐蚀速率强烈的各向异性,以及在其它一些腐蚀液(例如:H F∶HNO3∶H2O)中的各向同性至今很难理解。

腐蚀速率的各向异性大部分与在不同结晶方向上晶体表面的化学反应有关。

在这方面,Seidel等人所提出的[1]也许是最新图象,他们假设了一个O H离子与悬挂键接触时的复杂性,相对于两个O H离子与具有两个主键的Si原子接触的情况来讲,它是以一种不同的方式改变了具有三个主键的Si 原子的主键能量。

但是,难点是Si原子不仅在(111)面,而且在(110)面也有三个主键,所以在这些结晶方向上的腐蚀速率和激活能相对实验证据应是可比的。

最近,有人建议用晶体生长的理论来分析单晶的湿法化学腐蚀数据[2],这样,许多实验结果就能很容易地被理解。

从晶体生长的基本理论可直接得知以下观点:(1)在某溶液中腐蚀速率的各向同性和在其它溶液中的各向异性,能给出决定腐蚀速率是否是各向同性或各向异性的判据,并且该判据与实验结果相当。

MEMS器件湿法腐蚀工艺均匀性的提升技术

MEMS器件湿法腐蚀工艺均匀性的提升技术
闾新明;姚阳文
【期刊名称】《电子工艺技术》
【年(卷),期】2024(45)3
【摘要】针对湿法腐蚀工艺下晶圆面内均匀性大于5%、湿法工艺无法兼容低成本和高质量的难点,研究了湿法工艺各个参数对片内均匀性的影响。

分别讨论了腐蚀槽温度、晶圆进出腐蚀槽时间、晶圆出腐蚀槽到进水槽的时间间隔以及腐蚀槽循环流量对8英寸晶圆腐蚀均匀性的影响。

综合单一因素对比结果,确认了优化后8英寸MEMS电容式麦克风的湿法腐蚀工艺条件。

优化后,晶圆片内均匀性可以由原来的6.17%提升到3.47%,突破了晶圆内大面积湿法腐蚀片内均匀性大于5%的难点。

麦克风重要特征参数吸合电压良率也从原来的91%提升到99%,满足规模化大批量生产的要求,为后续器件性能提升提供了新的研究思路。

【总页数】4页(P17-20)
【作者】闾新明;姚阳文
【作者单位】芯联集成电路制造股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN305
【相关文献】
1.一种从器件三维实体到工艺版图的MEMS CAD技术
2.MEMS器件牺牲层腐蚀释放技术研究
3.RF-MEMS器件及其关键工艺技术
4.石英MEMS传感器湿法刻蚀工艺及设备制造技术研究
5.MEMS器件制造工艺中的高深宽比硅干法刻蚀技术
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国防科学技术大学硕士学位论文硅的各向异性湿法腐蚀工艺及其在微纳结构中的应用研究姓名：陈骄申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：吴学忠 2010-11
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文
摘要
硅的各向异性湿法腐蚀是硅片微机械加工的重要技术之一，它被广泛地应用于在硅衬底上加工各种各样的微结构，如膜结构、凹槽结构、悬臂梁等，近年来也被用于很多纳米结构的制造。本文以{110}、{111}和{100}三种类型硅的各向异性湿法腐蚀为研究对象，对腐蚀结构及其变化规律、腐蚀速率、腐蚀形貌和粗糙度等特性进行了研究，并制作了相应的微结构和纳米孔腔结构阵列。具体内容如下： 1．详细介绍了单晶硅的晶体结构和硅的各向异性湿法腐蚀工艺，根据各种腐蚀剂的特性，选择 TMAH 溶液作为本文的各向异性湿法腐蚀剂。介绍了几种典型的湿法腐蚀模型，探讨了各向异性湿法腐蚀机理，并以此为基础设计了实验流程和方案。 2．通过不同形状掩膜窗口的湿法腐蚀实验对比，经实验结果和理论分析，分别得出三种晶向硅的腐蚀结构变化规律，这为不同形貌的纳米硅腔阵列的制作打下了基础。通过在 TMAH 溶液中加入添加剂（过硫酸铵或 IPA 等）的对比实验，研究了硅的腐蚀速率、腐蚀形貌特征和粗糙度等特性，表明了过硫酸铵和 IPA 都能显著改善硅腐蚀表面的质量，且都会不同程度地降低腐蚀速率。探讨了硅的预腐蚀技术，它可以用来制作更多形貌的硅腔结构。 3．根据{110}硅湿法腐蚀可得到 70.5°角的倾斜结构和垂直侧壁的特性，初步研究了一种基于{110}硅的音叉式微机械陀螺的湿法腐蚀，分析结构误差并提出修正方案；根据{111}和{100}硅湿法腐蚀可分别得到八面体型腐蚀腔和倒金字塔型腐蚀腔的特性，分别制作了基于{111}硅的八面体型纳米孔腔结构阵列和基于{100} 硅的倒金字塔型纳米孔腔结构阵列，这为金属纳米结构阵列的制造提供了有效的模版。主题词：各向异性湿法腐蚀 {110}硅 {100}硅硅微机械加工 TMAH 腐蚀特性 {111} 硅纳米孔腔结构阵列
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国防科学技术大学研究生院硕士学位论文
ABSTRACT
Anisotropic wet etching of silicon is one of the most important techniques in silicon micromachining, which has been extensively employed to fabricate a wide variety of micro-structures including membranes, grooves, suspended beams, etc, and also utilized as one of the effective approachs in the fabrication of nano-structures in recent years. In this dissertation, anisotropic wet etching of {110}, {111} and {100} silicon are studied systematically, including the etched structures and their changing laws, etching rates, etching morphology and surface roughness. The corresponding micro-structure and nanopore cavity arrays have been made. The research results are shown as follows: 1. The crystal structure and anisotropic wet etching technology of the monocrystalline silicon are introduced. According to the properties of different etchants, TMAH is selected as the main etchant in this work. By three typical etching models, the mechanism of anisotropic wet etching of silicon is analyzed. On the basis of the mechanism and the crystallographic properties, the experimental process and program are designed. 2. By comparative experiments under etching mask windows of different shapes in TMAH solutions, the changing laws of etched structures are obtained respectively by experimental results and theoretical analysis, which lay a foundation for the fabrication of nanopore cavity arrays. The etching characteristics in TMAH solution with different surfactants (ammonium persulfate, IPA, etc.) are also discussed in detail, and it is found that ammonium persulfate and IPA can improve the quality of the etched surface remarkably while etching rates decrease to a certian extent. Then the pre-etching techniques are briefly discussed, which provide a way to make more special etched cavities. 3. Based on available tilted structures with the inclining angle of 70.5° and vertical walls by anisotropic wet etching of {110} silicon, a novel micromachined tuning fork gyroscope is preliminarily studied, and after analyzing the structural error, a correction scheme is proposed. And based on the available octahedral cavity by etching of {111} silicon and the inverted pyramidal cavity by {100} silicon, two corresponding nanopore cavity arrays are fabricated separately, which provide effective templates for the fabrication of metallic nanostructure arrays. Key Words ： Anisotropic wet etching Silicon micromachining TMAH Etching characteristics {111} silicon {110} silicon {100} silicon Nanopore cavity array
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图 ห้องสมุดไป่ตู้ 录
图 1. 1 图 1. 2 图 1. 3 图 1. 4 图 1. 6 图 1. 7 图 1. 8 图 1. 9 腐蚀速率与 KOH 腐蚀剂浓度的关系 ............................................................ 1 Kenji Tokoro 等人的腐蚀实验装置 ................................................................ 2 O.Tabata 等人的硅湿法腐蚀实验结果 ........................................................... 2 Werasak Sonphao 等人的腐蚀实验结果 ......................................................... 3 A. Merlos 和 M. C. Acero 等人的腐蚀实验结果 ............................................ 4 贾翠萍和董玮等人的腐蚀实验研究 ............................................................... 4 司俊杰等人的腐蚀实验结果 ........................................................................... 5 电容式微机械麦克风的结构图 ....................................................................... 6
图 1. 5 Yi Wei Xu、Aron Michel 等人的腐蚀实验结果 ............................................ 3
图 1. 10 高深宽比的梳状微致动器 ............................................................................... 6 图 1. 11 V 型槽硅微通道冷却器主要部件示意图 ....................................................... 6 图 1. 12 扫描探针显微镜的探针阵列 ........................................................................... 7 图 1. 13 Chih-Hung Sun 和 Nicholas C. Linn 等人制作的纳米结构阵列 ................... 8 图 1. 14 湿法腐蚀可制备的几种结构特征的金属纳米结构阵列 ............................... 9 图 2. 1 图 2. 2 图 2. 3 图 2. 4 图 2. 5 图 2. 6 图 2. 7 图 2. 8 图 2. 9 硅的面心立方晶系中的一些重要的晶面及密勒指数 ................................. 11 单晶硅的常见晶面 ......................................................................................... 12 硅片的主、次定位面 ..................................................................................... 13 (a)硅晶体的单元结构 (b)硅的晶体结构 ...................................................... 13 硅晶体沿典型方向的晶格截面 ..................................................................... 14 硅晶体三个主要晶面的原子排列示意图 ..................................................... 14 硅晶体三个主要晶面的硅原子化学键示意图 ............................................. 14 硅的各向同性与各向异性湿法腐蚀截面示意图 ......................................... 15 硅/电解液界面的能带模型[5]（上图为 p 型硅，下图为 n 型硅） ............. 19