硅的湿法刻蚀工艺研究现状

1、大连理工大学研究生试卷系别：机械工程学院课程名称：微制造与微机械电子系统学号：姓名：范振喜考试时间：2013年1月15日类别标准分数实得分数平时成绩10作业成绩90总分100授课教师刘冲签字硅的湿法刻蚀工艺研究现状范振喜（大连理工大学机械工程学院大连）摘要：硅的湿法刻蚀技术是微机械加工中最基础、最关键的技术。本文系统的总结了近年来硅的湿法刻蚀工艺的研究内容，包括硅的深槽刻蚀工艺、硅刻蚀均匀性技术、超声波技术及Cr掩膜在硅刻蚀中的应用以及用动力学蒙特卡罗法仿真刻蚀过程。关键词：硅；湿法刻蚀；深槽刻蚀；刻蚀均匀性；超声技术；Cr掩膜；蒙特卡罗CurrentStudyonSiliconWetEtch

2、ingTechnologyFANZhenxi（DepartmentofMechanicalEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,China）Abstract:Siliconwetetchingisthemostfundamentalandkeytechnologyinmicromechanicalprocessing.Thispapersummarizestheresearchcontentsofsiliconwetetchingtechnologyduringtherecentyears,includingsiliconetching

3、processofdeepgroove,siliconetchinguniformitytechnology,theapplicationofultrasonictechnologyandCrmaskinsiliconetchingandthesimulationofetchingprocessingwithdynamicMonteCarlomethod.Keywords:Silicon;wetetching;deepetching;etchuniformity;ultrasonic;Crmask;MonteCarlo0前言随着电子元器件的小型化发展，微机电系统（MEMS）B成为制作微机械、传

4、感器、控制电路等微器件及其集成于芯片的关键技术。由于芯片的集成和制造多以硅为基体，作为硅基体加工中最基础、最关键技术的硅的湿法刻蚀工艺被广泛应用于实际生产中。本文主要对近年来的硅的湿法刻蚀工艺研究现状进行了汇总，主要从深槽刻蚀工艺、刻蚀均匀性技术、超声波技术及Cr掩膜在刻蚀中的应用及用动力学蒙特卡罗法仿真刻蚀工艺方面进行介绍。1深梢湿法刻蚀工艺1,2,3MEM湍件的机械元件部分需要很大的刻蚀深度(5500um),而通常加工出的深槽深度为100200um,随着深度的进一步增加，硅的表面将出现不平整的小丘，掩蔽层也逐渐脱落对器件的性能影响极为严重。但通过对腐蚀液的浓度、温度、添加剂种类及其浓度做相

5、应的设定便可解决以上难题。1.1 刻蚀速率图1所示为刻蚀速率与KOH液浓度的关系，刻蚀速率在30%(wt)处出现峰值。由图2可知，刻蚀速率随温度升高急剧增大。I lLejriprralme S(l t?D45-D o Q ，一Lnlh-&E 弧匚 nip 吊EE ETf-blE Mu 三 wu3035 JO 4550m4iiu- CLiiix-niKicuH 打hi-0Vd缶050斗一.-.-.-7075而就而31W图1刻蚀速度与腐蚀液浓度的关系图2刻蚀速率与溶液温度的关系wliitiontcmiKTiitjircT刻蚀速率与表面活化剂SDSS(sodiumdihexylsulfosuccin

6、ate)和IPA(异丙醇)添加浓度关系如图3所示。实验结果还表明，异丙醇的添加对刻蚀速率的提升效果较SDSSM为显著。O.iJU CJ.IM OdJS (112 U,I6 0.20SlJSS aifccilriiLin MwliuhSDSSa - - I - I - * - - I。 5G .55 4 4 3 J EE LEmLQlE或uz)看h )1 PA& I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 III PA cnnccmmiiian R & wt i第 j 5 与 4 I 一 EEkUJlfa= IU 8MLi图3刻蚀速率与添加剂浓度的关系1.2 表面粗糙度在刻蚀过程中，常常会由于生成

7、的氢气气泡吸附在硅片表面，形成“伪掩膜”而产生锥状小丘，致使表面粗糙.为改善表面粗糙度，实验中采取了搅拌、添加不同浓度的SDSS与IPA等措施,刻蚀后硅表面的SEM貌如图4所示。实验结果显示,平整度最优的添加剂浓度与刻蚀速率峰值时的添加剂浓度有很好的对应。(a)不搅拌 (b) 搅拌 (c) 搅拌 + 0.1%(wt)SDSS (d) 搅拌+7.5%(wt)图4刻蚀表面形貌1.3 深度刻蚀利用优化的刻蚀条件：30%(wt)KOH,100c,7.5%(wt)IPA,搅拌，进行深度刻蚀，可得到图形度完好的刻蚀窗口，其光学显微图如图5所示。刻蚀窗口深度达236um,较常用刻蚀条件，刻蚀速率可提高约2倍

8、，各向异，f明显，窗口四壁呈倒口坡面，斜坡角度与理论的54.37较为吻合。图5深度刻蚀窗口2湿法刻蚀均匀性技术4刻蚀均匀性是一种衡量刻蚀工艺在整个硅片上，或整个一批，或批与批之间刻蚀能力的参数。保持硅片的均匀性是保证制造性能一致的关键。由于湿法刻蚀是晶片浸泡在腐蚀液中完成的，因此要保证刻蚀均匀性，就必须保证腐蚀液各参数在工艺槽内各处的一致性。相关参数主要有：溶液温度、溶液流场、药液浓度等。2.1 搅拌在刻蚀槽内设置搅拌装置，使工艺处理过程中溶液不断搅拌，从而使溶液的温度、浓度等均匀性提高，进而提高刻蚀的均匀性。如图6所示。图6搅拌装置示意2.2 晶片转动半导体制造工艺过程中，晶片的传输和处理一

9、般是装载在片盒中完成的。然而，晶片的边缘与片盒不可避免会有接触，而且片盒的卡槽会遮挡相当面积的边缘。如果在晶片的化学处理过程中，使晶片在片盒中做自转运动，避免某一边缘区域始终处于卡槽内，就可以有效改善这种情况。方法如图7所示，在晶片底部设置一根驱动转轴，当转轴旋转时带动晶片自转。图7晶片转动小意2.3 溶液溢流循环相比溶液静态刻蚀，利用泵让四面溢流循环起来，刻蚀均匀性会有很大的提高，因为溢流循环可大大改善溶液的温度均匀性、浓度均匀性以及流场状态。图8所示为溢流循环槽的结构，溶液从底部注入到工艺槽内，然后从四面顶部溢流到溢流槽，再从溢流槽底部排除。图8溢流循环槽的结构示意2.4 溶液层流设计所以

10、紊流会造成刻蚀的不均刻蚀溶液的流场决定着晶片局部接触有效刻蚀成分的机会,匀，因此流场应该尽量设计成层流方式。结构如图9所示。匀流板中间开有圆周分布的若1小孔，孔的直径越外圈越大。I11I0I图9溶液层流设计示意3超声波技术湿法刻蚀中的应用5为了在较低温度和浓度的腐蚀溶液条件下也能获得高品质腐蚀表面，在硅湿法腐蚀中引入超声技术。超声会在溶液中产生空化现象。一方面，空化会在固体和液体界面上产生高速的微射流，有助于腐蚀液体分子的扩散迁移；另一方面，空化会破坏氢气与腐蚀表面的吸附。3.1 超声腐蚀系统图10为超声腐蚀系统。瓶盖通入冷却水，可有效防止腐蚀溶液受热挥发。该系统引入环形加热圈，经过恒温水浴锅

11、加热后的去离子水在环形加热圈内进行回流，从环形加热圈顶部流入，再从环形加热圈底部流出，最后回流至恒温水浴锅。另外超声能增加搅拌作用，有助于改善腐蚀溶液各个层面的温度的均匀性。图11为超声腐蚀系统实体图。图10超声腐蚀系统图11超声腐蚀系统实体图3.2 超声参数对刻蚀工艺的影响图12是采用LSCM（激光共聚焦扫描显微镜）获得的不同超声功率下的腐蚀表面粗糙度Rq值，Rq在120W时达到最小，为0.020um。图13是采用台阶仪获得的不同超声功率下的腐蚀速率。在120W时，空化趋于饱和，腐蚀速率增加幅度明显放缓。(J U5.120 DO 140 IftTi 1Tl)图12不同超声功率下的腐蚀表面粗糙

12、度图13在不同超声功率下的腐蚀速率通过实验在60C,10%质量分数的KOH液中，采用超声频率为59kHz、超声功率为120W进行湿法腐蚀,其腐蚀表面的粗糙度为0.020um,实现了在较低温度和浓度的腐蚀溶液条件下也能获得高品质腐蚀表面的目标。4Cr掩膜在湿法刻蚀中的应用6,7针对硅湿法刻蚀中常见的SiO2、Si3Nk掩模的缺点，提出了以Cr薄膜层为刻蚀掩模的新方法。4.1 Cr掩膜的优点SiO2掩模只能用于浅层的硅湿法刻蚀中；而且对SiO2的加工通常使用毒性较大的HF(氢氟酸)，对环境和人体都有一定的危险性。Si3N4掩模选择性很好，但Si3N4与硅的热膨胀系数相差较大，其薄膜在硅片上会出现裂

13、纹，甚至脱落，而且Si3N4的湿法刻蚀工艺比较复杂，对设备要求高。Cr与硅材料结合紧密，能在湿法刻蚀时保证足够的牢固性；Cr的化学性质稳定，在KOH刻蚀液中的选择性非常好；Cr在(NH4)2Ce(NO)5(硝酸铀钱)溶液中能迅速溶解，同时该溶液不能刻蚀硅，而且基本无毒，对环境无害，因此可以利用(NH4)2Ce(NO3)5对Cr掩模进行图形加工；可以利用标准光刻技术将模版图形转移到Cr掩模层上，工艺简单，对设备没有特殊的要求。表1是各种掩膜材料制备对比。表1各种掩模材料制备对比性惶忖杵赳即地型加番k:他履比CVD删酎事嘏加T方式症隰饰语漏法机址:鼾点制R利白毒设缶品曲.艺则蚀剂无器，|：名险单4

14、.2 Cr掩膜的制备试验所用的Cr分别通过蒸发和溅射方法沉积到硅圆片基底上。蒸发膜与硅圆片的结合力差，同时硅与热KOH反应又十分剧烈，最终导致Cr膜上的金属颗粒脱落，形成点坑，并逐渐扩大，最后造成了大面积剥落。与蒸发膜相比，溅射膜要致密得多，与基底的结合力更好，在刻蚀液中能够保持较长的时间，但其内应力也较大，因此在热KOH蚀硅时使用的溅射Cr掩模厚度最好不超过300nm。5动力学蒙特卡罗法对湿法刻蚀工艺仿真8,9在多次掩模作用下,各向异性的刻蚀出现的结本面和尺寸很难预测，因此在工艺设计中计算辅助设计工具能够发挥非常重要的作用。在基于原子模型的仿真计算中,蒙特卡罗法(MonteCarlo,MC)

15、是用数学模拟代替实际的实验过程的有效方法。5.1 蒙特卡罗模型仿真程序首先需要按照单晶硅的原子排列规律构建基底(如图14(a)所示)，将硅晶体看作由硅原子组成的集合,原子间由化学键相连。计算中将腐蚀晶片的加工过程看作是硅原子不断地脱离基底进入腐蚀液的过程。图14基底尺寸为100nmx100nm的单晶硅(111)晶面刻蚀的蒙特卡罗法计算过程5.2 蒙特卡罗法的计算特点蒙特卡罗法的计算特点可通过(111)晶面原子移除过程为例进行说明。如图1(a)所示,理想的(111)晶面初始状态没有任何台阶,其表面原子类型单一。蒙特卡罗法计算遍历所有的表面原子，然后随机选择一个蒙特卡罗事件。当如图1(b)所示的一

16、个表面原子被选中后，程序会搜索与这个原子邻位的其他原子，根据邻位原子的连接状态决定当前这个原子的类型和状态转移概率。如果选中的原子满足刻t随机事件的条件,该原子将从表面移除，其邻位的原子将从基底暴露出来，成为表面原子(如图1(c)所示)。(111)表面一旦有原子被刻蚀，就会在凹陷的周围形成台阶结构，被刻蚀的原子周边原来的台地立即转变成台阶类型的原子于它们相对于（111）表面的原子具有更高的活性，具有较高的移除概率，因此刻蚀反应将首先以较大的概率选择这部分表面原子，以这个位置为中心扩展开来，最终形成如图1（d）所示的与实验观察相一致的表面形貌。5.3 动力学蒙特卡罗法的比较BKL算法的基本原理是

17、假设表面原子数为N,把这N个表面原子按移除概率的取值种类分为M组，即将全部N个原子归入到M个数组中。在计算中，BKL法确定蒙特卡罗事件的搜索方法为两步。首先，算法决定蒙特卡罗事件在哪一类原子中发生，即在M个数组中用线性搜索的,接着在所选定的数组中随机找方法找出这次事件所对应的原子种类；在确定原子种类以后出一个表面原子。BKL法适合表面原子类型较少的系统仿真，例如模拟薄膜生长的场合。当表面原子的种类有限时，BKL的优势非常明显。二叉树法（BinarySearch）的数据组织过程如图15所示。二叉树法在最高层中，将表面原子的移除概率按大小排序后两两相加（第1层）,然后把它们的和计入下一层（第2层）

18、,如此递归循环，每一层的相邻概率两两相加，其和计入下一层，直至根节点。该算法的单元大小为2,表面原子被组织成二叉树的形状排列。二叉树法可以避免BKL的缺点，不受表面原子类型变化的影响。皿皿QJU:do1图15二叉树搜索KMM意图KLS法把表面原子归纳成一般的树状结构，它根据表面原子的总数决定单元的大小以及搜索的分层数量。在计算中发现，如果保持单元大小为4-8,则效率较高。使用较大的单元值来建立树状结构，树结构的层数比二叉树会明显减少，进而加快计算速度。KLS法这样的树状结构搜索方法对表面原子特征较为复杂的硅的各向异性湿法腐蚀的仿真计算较为适合。5.4 表面形态仿真最近研究的动力学蒙特卡罗法计算

19、程序采用的是优化的树状结构搜索算法完成。图16为在KOHJ蚀系统下（311）晶面表面形态演化过程的计算结果。图16(311)晶面的表面形态的演化过程计算结果表面形态的模拟计算分析的(311)晶面基底尺寸为100nmxiOOnmo图3(a)、(b)和(c)分别为腐蚀掉1X105,5X105,1X106个原子的(311)晶面表面形貌的仿真结果。从图3(a)到(c)可观察到(311)晶面在刻蚀中表面形貌特征从细小的波浪状结构逐渐转变成为较大凸起结构，结构面逐渐粗糙的过程。6结论本文通过总结近年来硅的湿法刻蚀工艺的研究内容，可知在硅的深槽刻蚀工艺、硅刻蚀均匀性技术、超声波技术在硅刻蚀中的应用这几方面已经较为成熟。但Cr掩膜在硅刻蚀中的应用方面还存在一定缺陷，溅射Cr薄膜刻蚀图形的直线边缘出现了一些弯曲，Cr掩模的制备和图形转移工艺水平还需要提高，以满足高精度和深度湿法刻蚀腐蚀的需要。动力学蒙特卡罗法仿真的下一步研究目标是针对不同的刻蚀系统以及添加表面活性剂的情况做出算法的改进和讨论。参考文献1张凯，顾豪爽，胡光，等.MEM济硅的深度湿法刻蚀研究J.湖北大学学报，2007,29