第三讲 体硅加工

讲座4:体硅加工-1多晶硅有许多优点，并且有非常系统和深入的研究积累。然而，人们经常费力地蚀刻单晶硅以获得硅膜：选择单晶硅作为微机电系统结构材料的主要因素；1.基于集成电路技术，硅提供了集成制造的可能性2.单晶硅的各种性能，尤其是物理性能的研究非常深入。3.硅相关技术和设备可以借鉴集成电路行业的积累。4.没有一种高纯度的单晶材料能像硅材料那样具有如此高的成本性能，并且能以低成本大量提供。5.单晶硅的许多重要特性非常适合作为微结构材料。除了精细结构的成型加工特性外，其机械特性、压阻效应、结构稳定性等具有诱人的优势它不会蠕变到600度以下，除非它裂开，否则会恢复到原来的形状。硅的物理性质单晶结构立方晶体，钻石结构比例2.3g/cm2断裂应力1000兆帕屈服强度100-200兆帕弹性模数160Gpa压阻系数-120120导热性150WM/K热膨胀系数2.5x10-6/k关于脆化，由于单晶硅晶体的完整性，一旦产生任何微小的裂纹，就没有在张力下迅速膨胀的限制因素(如晶界)。因此，单晶硅的断裂是其缺点之一。因此，即使轻微的表面损伤也会显著改变断裂强度的测试结果。硅的压阻系数与多种因素有关，主要是掺杂水平、温度、晶格取向和电流相对于张力的趋势。系数可以在120到-120之间变化。一般来说，金属的价值大约是2。压阻效应非常敏感，成为许多物理传感器检测信号的基础。导热系数相当于普通金属的导热系数。考虑到微结构通常尺寸较小，在大多数情况下承担散热的重要任务就足够了。为什么我们要研究硅的微加工技术？虽然半导体技术对与硅和微加工技术相关的基本性质有了透彻的了解，但与微机电系统的要求仍有很大差距，主要表现在跳跃方向的加工深度较大。在半导体技术中，即使是最深的隔离工艺的处理深度也不会超过10微米，其中大多数都在1微米以内。然而，在许多情况下，微机电系统结构的处理深度和宽度是相似的，并且相当多的微机电系统结构需要高纵横比的结构。此外，这些结构还需要与不同的结构层通信，这在半导体加工中难以实现。因此，必须进行有针对性的研究。体硅加工的本质是选择性地去除一些硅材料，使剩余的硅结构满足器件结构的要求体硅加工的硅微结构的基本形式如下：悬臂梁和其他移动结构的释放各向异性蚀刻各向同性蚀刻质量块光线实现上述结构的体硅加工技术主要有三条工艺路线：湿法刻蚀、表面微加工多孔硅技术和干法刻蚀以及一些辅助技术也是必要的，如掩模突起角度补偿技术、电化学控制刻蚀、SOI衬底技术等。无论采用哪种工艺路线，通过掩模实现的选择性是相同的。因此，关于硅蚀刻，以下问题是常见的：掩模图案设计(包括可能的凸角补偿、底切预置等)。)、掩模材料选择、掩模膜图案化技术、蚀刻反应的选择性、各向异性、终止层(表面)、掩模材料去除、精细结构脱水或表面改性等。他们对不同的系统有不同的解决方案，一些惯例可以作为参考。下面将结合用途逐一简要介绍：湿法腐蚀湿法蚀刻分为各向同性蚀刻和各向异性蚀刻其中，各向同性蚀刻主要使用含氧化添加剂的氢氟酸作为酸性蚀刻剂，各向异性蚀刻主要使用各种强碱溶液，其中有氢氧化钾、氧化氢、氧化二磷等。是最常用的。各向同性蚀刻各向同性蚀刻完全依赖于掩模各向同性蚀刻主要使用含有硝酸、氢氟酸和水或乙酸的HNA体系作为蚀刻剂，其总体反应方程式如下：最常用的公式比率：硝酸的氧化导致在硅表面上产生空穴，并进一步将溶液中的氢氧基吸引到硅表面上以形成络合物，该络合物进一步转化为氧化硅薄层，该氧化硅薄层与溶液中的氢氟酸反应以生成可溶的或挥发性的氟化物，从而离开蚀刻表面，蚀刻反应继续进行。分步反应公式：为各向同性蚀刻选择掩模材料是非常困难的。氮化硅和氧化硅是最常用的。氮化硅具有更好的耐腐蚀性，特别是高温工艺生产的氮化硅可以刻蚀数百微米的硅而不会完全消失。碳化硅也有类似的能力。然而，氧化硅在HNA体系中非常不稳定，这可以从其腐蚀机理中看出。它们只是腐蚀速度不同，原则上不能用作掩模材料，因此难以满足掩模介质。如果不考虑重金属污染的因素，金应该是一种候选材料，特别是当它与硅形成合金层后，它可以抵抗一段时间。碳化硅和氮化硅必须通过干法蚀刻形成图案，氧化硅可以通过湿法蚀刻形成图案。Su-8负性光致抗蚀剂图案也被用作类似系统的掩模材料。据说效果不错，但还没有被广泛使用。可能的原因是光致抗蚀剂是被移除还是困难。基于上述因素，各向同性蚀刻的使用越来越少，仅用于某些场合，如抛光浅蚀刻(3mLHF 25mLHNO3 10mLHAc)、衬底硅蚀刻镂空操作匹配金刚石薄膜等。然而，各向同性氢氟酸系统可以通过电化学蚀刻机制的适当带电和微加工来显著改变上述特性。如前所述，硅可以在电化学氧化过程中形成多孔硅。多孔硅和表面微加工技术的结合可以显著增加可移动薄膜结构的运动空间。然而，通过适当调节电化学蚀刻的工作条件，可以通过基于氢氟酸溶液的蚀刻获得各向异性的高纵横比微结构。蚀刻溶液的组成：48% HF:99.8% C2 H5 oh:H2O=1:2336017(体积比)室温操作，300瓦卤素灯背光，DC 2.5V或小于30mA/cm2电流密度，铂阴极。研究表明：通过该技术实现的微结构具有优异的横向和纵向均匀性、优异的可重复性、高纵横比和非常灵活的形状图案。图案化方向应该与110方向一致。详情请参阅相关文件。碱性各向异性蚀刻优点和缺点：技术发展水平相对较高。结构的几何尺寸可以精确控制(晶体结构)；整体设备投资少，成本相对较低。互补金属氧化物半导体工艺的潜在集成能力；但是，很难或不可能获得垂直边，因此结构的体积和构造方式在一定程度上受到限制。一般来说，需要双面光刻，并且成本会有所增加。氢氧化钾与半导体工艺不兼容，只能计划最终完工。蚀刻设备简单，但控制不够精确，加工时间较长，这可能导致其他问题。根据晶相结构的形成规律，微结构设计的灵活性明显受到限制，并且难以精确预测波瓣补偿的复杂性令人望而却步。由于这些缺点，湿法各向异性蚀刻被渐进式干法蚀刻工艺所淘汰。然而，在目前和不久的将来，它仍然是一种广泛使用的技术，特别是在大规模生产深微结构的过程中。各向异性腐蚀的基本原理：单晶硅的不同晶面在一些腐蚀液中有不同的腐蚀速率，有些快，有些慢。当一片单晶硅暴露于蚀刻剂时，快速蚀刻的晶面随着蚀刻过程逐渐消失，而慢速蚀刻的晶面倾向于保留为停止层，形成最终结构的整体部分。各向异性et的主要优缺点从工艺兼容性和蚀刻选择性方面来说，EDP是最好的，但是乙二胺是高毒性和挥发性的，所以。在升温系统中很难接受，所以被大多数生产线拒绝，而氢氧化钾是目前使用最多的。氢氧化钾没有明显的毒性，但也是一种危险的化学物质。特别是在60-100度的腐蚀温度范围内，氢氧化钾具有优异的腐蚀能力。操作时应特别注意自我保护。简单的装置就能满足使用要求，更简单的是无盖回流装置的溢流式结构，以及辐射加热和磁力搅拌的方法。不管是哪种系统，整个装置都必须放在通风橱里，以驱散不断产生的氢气。可用于氢氧化钾体系的掩蔽介质包括二氧化硅、氮化硅、碳化硅、金属等。其中，二氧化硅绝对占主导地位，碳化硅是最好的，而氮化硅会破坏最终的内部应力脆弱的结构。二氧化硅与硅100的蚀刻速率比非常高。通常，在大多数情况下，小于2微米的掩模足以蚀刻通过约500微米的硅晶片。仅考虑掩模的稳定性，应选择蚀刻剂浓度接近15%的主体。此时，二氧化硅蚀刻速率非常低，并且硅蚀刻速率已经达到最高范围。然而，通常使用的系统约为30-40%，主要是由于蚀刻表面的形貌。设计过程可以根据目标灵活选择。掩模的图案化通常采用湿法蚀刻，蚀刻剂采用BHF。应注意为横向蚀刻引起的线宽变化预留空间。通常，由1.5-2微米二氧化硅蚀刻引起的线宽应该是大约3-4微米。然而，蚀刻剂的组成、工作温度、掩模光致抗蚀剂的结合力等。会产生重大影响。有时严重的钻孔和蚀刻会导致线条剥离。在必须控制尺寸的情况下，可以采用金属过渡掩膜或干法刻蚀二氧化硅掩膜。干蚀刻的过渡掩模是厚度为3-4微米的普通光致抗蚀剂。采用三氟甲烷和六氟化硫作为蚀刻剂，RIE蚀刻可以充分保证线宽精度。此外，通过PECVD生长的碳化硅和氮化硅在KOH中不会腐蚀，因此它们也可以用作最精确的线宽控制的掩模，但是它们也必须通过干法蚀刻形成图案。一些由合适的基底补充的金属可以用作稳定的掩模材料，但是通常它们的可靠性有一定的问题，主要是剥离。结构特征：氢氧