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微机械加工技术,硅的湿法腐蚀,内容,各向异性腐蚀 EDP，Amine Gallate, TMAH, 联氨 电化学腐蚀 硅各向同性腐蚀 腐蚀自停止,湿法腐蚀,微机械主要是以硅为主体的，硅的加工主要采用湿法腐蚀实现 各向同性腐蚀给出的结构呈圆球状 各向异性腐蚀由于对面腐蚀极慢，因此腐蚀得到的表面较平坦 搀杂可以用来停止腐蚀过程，例如P+在KOH 因为在一定的电势下，硅会产生阳极氧化，从而可用于腐蚀自停止,与晶向相关的腐蚀,各向同性腐蚀 所有方向的腐蚀速率是相同的 横向腐蚀速率与纵向近似相等 腐蚀速率与掩膜边缘无关 各向异性腐蚀 腐蚀速率与晶面有关 横向腐蚀速率可能大于也可能小于垂直腐蚀速率，取决于掩膜版与晶 轴的夹角 掩膜边缘与掩膜图形决定了最终腐蚀的形状 可以用于制造复杂的结构 若未仔细考虑，腐蚀结果会另人惊奇,硅片识别,N-型硅片（Sb, As, P） P-型轨片（B, Ga, In）,注意基本边和二次边,硅的各向异性腐蚀,一般情况下，腐蚀速率： (100)(110)(111) (111)晶面族是各向异性腐蚀的停止面 共有八个（111）晶面 (100)硅片上各向异性腐蚀会形成三种基本结构 V型槽 四面体锥坑 四面锥腔,硅的各向异性腐蚀,硅的各向同性和各向异性腐蚀,硅的各向异性腐蚀,硅的各向异性腐蚀-凸角和凹角,各向异性湿法腐蚀 凸角过腐蚀 凹角腐蚀停止在111交面,各向异性腐蚀例,典型腐蚀坑,各向异性硅腐蚀液,碱性腐蚀液，例如KOH, NaOH等，腐蚀 可以得到较平滑的表面。在腐蚀液中加如异丙醇可以增加(100)和(111)的腐蚀速率比。腐蚀Al, 有点腐蚀SiO2，基本不腐蚀nitride EDP腐蚀液：和KOH类似，但有毒。不腐 蚀金属（在某些情况下包含Al）和SiO2 TMAH腐蚀液：和EDP类似但无毒，在某些情况下包含Al，不腐蚀SiO2, ,EDP腐蚀-1,乙二氨，邻苯二酚，水 Ethylene Diamine Pyrocatechol 或称为：EPW （Ethylene Diamine Pyrocatechol Water) EDP腐蚀采用的掩膜材料：SiO2, Si3N4, Au, Cr, Ag, Cu, Ta; 会腐蚀Al 晶向选择性： （111）： （100） 1：35 （100）硅的典型腐蚀速率： 70C 14um/hr 80C 20um/hr 90C 30um/hr 97C 36um/hr,EDP 腐蚀-2,典型配方: 1L 乙二氨，NH2-CH2-CH2-NH2 160g 邻苯二酚， C6H4(OH)2 6g , C4H4N2 133mL H2O 乙二氨的离化 NH2(CH2)2NH2+H2ONH2(CH2)2NH3+ +OH- 硅的氧化和水的减少 - Si +2OH- +4H2O Si(OH)62- +2H2,EDP 腐蚀-3,需要回流冷凝装置以保证浓度的稳定 与MOS和CMOS工艺完全不兼容 专门容器回收 会锈任何金属 腐蚀表面会留下一层棕色的，难以去除 EDP对凸角的腐蚀比其它任何各向异性腐蚀液都快 常用于释放悬臂梁结构 腐蚀表面较光滑,EDP腐蚀-4,EDP腐蚀会产生Si(OH)4的淀积，在Al压焊点上产生Al(OH)3 Moser的腐蚀后处理： 20 sec, DI water rinse 120 sec. Dip in 5% (抗坏血酸)ascorbic acid and H2O 120 sec, rinse in DI water 60 sec. Dip in (己烷)hexane, C6H14,TMAH腐蚀,Tetra Methyl Ammonium Hydroxide 四甲基氢氧氨 MOS和CMOS 兼容 - 无碱性金属存在 - 对SiO2和Al 腐蚀不明显 晶向选择性： （111）：（100） 1：10 -1：35 典型配方 - 250mL TMAH (25% Aldrich) - 375mL Water - 22g Silicon dust - 90C etching - 1um/min in etching rate,硅的联氨腐蚀,也是各向异性腐蚀 典型配方 100mL N2H4 100mL H2O 2 um/min, 100C 联氨腐蚀很危险 威力很强的还原剂（火箭燃料） 易燃液体 易自燃-N2H4+H2O2N2+H2O (爆炸),电化学腐蚀效应-1,电化学腐蚀效应-2,HF通常腐蚀SiO2, 不腐蚀Si 通过正向偏置硅，空穴可以通过外部电路注入以氧化硅，进而被HF溶解 可以用Si3N4做掩膜，是抛光腐蚀 如果采用浓HF（48%HF）腐蚀，硅在腐蚀过程中不会完全氧化，最终形成棕色的多空硅,电化学腐蚀效应-3,电化学腐蚀效应-4,硅片的偏置电压超过OCP，空穴增加氧化加快腐蚀速率增加 若偏置电压进一步增加至钝化势PP，SiO2将形成 硅表面钝化，腐蚀停止 HF/H2O溶液不显示PP，因HF腐蚀S iO2,电化学腐蚀例,用标准CMOS工艺，形成隔离的单晶硅岛 用“开”掩膜版留下硅区 采用适当的TMAH腐蚀液，使暴露的铝不被腐蚀 N阱偏置电压大于PP，使N阱不被腐蚀,硅各向同性腐蚀,腐蚀过程包括： - 反应物到表面的输运 - 表面反应 - 反应产物从表面的移走 腐蚀受输运/扩散，或表面反应速率的限制 在任何湿法腐蚀中的关键因素： - 氧化剂 （例如H2O2, HNO3) - 能溶解氧化表面的酸 （HF） - 输送反应物的媒介 （H2O， CH3COOH）,氧化还原反应,腐蚀是一种电化学过程 氧化是电子失去的过程， 还原则是电子增加的过程； 氧化还原反应：两种反应的竞争,硅的HNA腐蚀-1,HF+HNO3+CH3COOH 各向同性腐蚀 总体反应： Si+HNO3+6HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2 腐蚀过程是硅的氧化然后被HF溶解的过程 硅表面点随即变成氧化或还原点；类似于电化学电池,硅的HNA腐蚀-2,硅在阳极附近失去电子转为强氧化态： - Si0+h2+Si2+ 在阴极的NO2不断减少以产生空穴： 2NO22NO2- +2h+ 硅和OH-反应生成SiO2: Si2+2(OH)- Si(OH)2- +2SiO2+H2 SiO2被HF溶解形成H2SiF6： SiO2+6HFH2SiF6+2HO2,硅的HNA腐蚀-3,硝酸的作用 在水中正常溶解：HNO3HNO3- +H+ 自催化以形成压硝酸和空穴 HNO2+HNO3N2O4+H2O N2O4+HNO22NO2-+2h+ 2NO2-+2h+2HNO2 腐蚀剂必须到表面才能和膜反应或腐蚀 运动到表面的方式将影响到选择比, 过刻, 和均匀性 NO2是硅的有效氧化剂,硅的HNA腐蚀-4,醋酸的作用 常用水代替CH3COOH 醋酸的电绝缘常数比水低 CH3COOH 6.15 H2O 81 减少了硝酸的溶解，提高了氧化能力,硅的HNA腐蚀-5,硅的HNA腐蚀-6,硅的HNA腐蚀-7,区1： 高HF浓度区，腐蚀曲线平行于硝酸浓度刻度，腐蚀受硝酸控制。留下少部分氧化物 区2： 高硝酸浓度区，腐蚀曲线平行于氢氟酸浓度刻度，腐蚀受氢氟酸控制。 区3： 腐蚀受水的影响不大，当HF:HNO3=1:1时，腐蚀速率下降很快,搀杂腐蚀自停止层-1,控制腐蚀的绝对深度通常很困难 腐蚀自停止层可以用来迅速减少腐蚀速率，达到一个比较精确的控制点 硼重搀杂在硅的腐蚀中最常用 一些腐蚀液的搀杂腐蚀特性： H