第三讲体硅加工

10第四讲：体硅加工――1多晶硅有很多优点，也有格外系统深入的争论积存，但是，人们常常费力地刻蚀单晶硅以获得硅膜：选择单晶硅作为MEMS的构造材料的主要因素：IC技术的根底，硅供给了集成制造的可能性对单晶硅各种性质特别是物理特性的争论格外透彻硅相关的技术和设备可以借用IC工业的积存没有那一种高纯度的单晶材料能够拥有像硅材料这样高的性价比，并且可以大批量廉价供给。单晶硅的很多重要特性格外适合作为微构造材料。除了构造稳定性等也是吸引人的优点硅的物理特性单晶晶体构造比重断裂强度屈服强度弹性模量压阻系数热导率热膨胀系数

立方晶体，金刚石构造2.3g/cm21000Mpa100-200Mpa160Gpa-120～120150WM/K2.5x10-6/k〔breakin，由于单晶硅晶体的完整性，一旦有任何微小裂纹产生，就没有制约的因素存在〔比方晶界〕张力作用下快速扩展，故单晶硅的断裂是它的缺点之一。因此，即使是外表微小的损伤也会显著转变断裂强度的测试结果。硅的压阻系数与多种因素有关，主要有掺杂水平、温度、晶120到－120之间变化，一般金属该数值约为2。压阻效应相当灵敏，成为很多物理传感器检测信号的根底。热传导系数与一般金属相当，考虑到微构造一般尺寸比较小，多数状况下足以担当散热的重任。为什么还要争论硅的微机械加工技术？半导体工艺虽然对硅相关的根本性质和微细加工技术已经有了透彻的生疏，但是与MEMS的要求尚有比较大的差距，主要表现在纵身方向大加工深度上，在半导体工艺中，即使是最深的隔离工艺，其加工深度也不会超过10微米，绝大多数在1微米之内，但是MEMS构造很多状况下加工深度与宽度相仿，相当一局部要求高深宽比构造，而且这些构造还要沟通不同的构造层次，是半导体加工难以实现的，所以必需开展针对性的争论。构造满足器件构造的需求体硅加工的硅微构造，根本的形式有以下几种：各向同性刻蚀各向异性刻蚀悬臂梁等运动构造释放质量块质量块梁实现上述构造的体硅加工技术主要有三种工艺路线：湿法刻蚀、外表微机械多孔硅技术和干法刻蚀，还有一些关心SOI衬底技术等，无论承受哪一种工艺路线，借助掩膜实现选择性是一样的，因此，关于硅刻蚀，下面一些问题是共性的：掩膜图形设计〔包括可能的凸角补偿、底切量预置等〕各向异性、终止层〔面〕、掩膜材料去除、精细构造脱水或者外表修饰等，它们针对不同的体系有不同的解决方案，也有一些惯例可以借鉴，下面将结合用途逐一加以简洁介绍：湿法刻蚀湿法刻蚀分为各向同性和各向异性刻蚀两类其中各向同性刻蚀主要以含氧化性添加剂的氢氟酸为酸性刻蚀剂，各向异性以各类强碱性溶液为主，其中又以KOH、THAM、EDP等为最常用。各向同性刻蚀各向同性刻蚀完全依靠掩膜图形产生选择性，刻蚀速率没有晶面选择性，预示它的刻蚀反响机制与碱性溶液有本质不同，无法得到准确的横向尺寸掌握效果，也只在很少数状况下可以实现掺杂掌握，所以总体上讲它的用途有限。各向同性刻蚀主要承受含有硝酸、氢氟酸和水或者醋酸的HNA体系作为刻蚀剂，其总体反响方程式：最常用的配方比例：液中的氢氧根到硅外表形成协作物，进而转化成薄层氧化硅，再被溶液中的氢氟酸反响，生成可溶性或挥发性的氟化物离开刻蚀面，刻蚀反响连续进展。分步反响式：和氧化硅，其中，氮化硅的耐腐蚀性较好，特别是高温工艺生成的氮化硅，能够刻蚀数百微米的硅而不至完全消逝，炭化硅也有相像的力量，但是氧化硅在HNA体系中是很不稳定的，这从它的腐蚀机理中也可以看到，它们只是有腐蚀速度的差异，原则上不行以作为掩膜材料使用，可见其掩膜介质难以令人满足。假设不考虑重金属污染的因素，金应当是一种候选材料，特别是当它与硅形成合金化层之后，能够抵抗一阵。刻蚀SU－8良好，但尚未见大量应用，可能的缘由是去胶还是难题。综合以上因素，各向同性刻蚀的用途越来越少，仅用于个别场合，如抛光性浅腐蚀(3mLHF+25mLHNO3+10mLHAc),与金刚石薄膜匹配的衬底硅刻蚀镂空操作等但是，各向同性的氢氟酸体系通过适当通电，以电化学刻蚀机制进展微加工，就能够显著转变上述特征。前面曾讲过硅可以在电化学氧化过程中形成多孔硅，多孔硅与外表微机械是，适当调整电化学刻蚀的工作条件，可以使基于氢氟酸溶液的刻蚀得到各向异性的高深宽比微构造。刻蚀液的组成：48%HF：99.8％CHOH：H

O＝1:2:17〔体积比〕2 5 2室温工作，300W 卤素灯背照明，直流2.5V 或者小于30mA/cm2Pt阴极。争论说明：借助该技术实现的微构造，具有优良的横向和纵向均匀性，优越的可重复性和高深宽比，以及格外敏捷的外形图案。110方向全都。具体状况可以参阅有关文献。碱性各向异性刻蚀优缺点：工艺开发水平较高；构造几何尺寸能够准确掌握〔晶体结构CMOS工艺集成力量；方式有肯定制约；一般需双面光刻，本钱有所上升KOH与半导体工艺不兼容，只能安排在最终完成刻蚀设备简洁，但是掌握不够准确，而且加工时间比较长，可能导致其它的问题依据晶相构造的成型规律显著制约了微构造设计的敏捷性，简单且难以准确估量的凸角补偿使人望而却步。湿法各向异性刻蚀由于这些缺点正在被渐渐进步的干法刻蚀工艺排挤，但是，目前和不久的将来它仍旧是广泛应用的技术，特别是在深度微构造大规模生产工艺中。溶液中，刻蚀速率各有不同，一局部快，一局部慢，当一块于消逝，而刻蚀速度慢的晶面则倾向于作为终止层得以保留，构成最终构造的组成局部。各向异性刻蚀的主要优点和缺点盖源于此多种碱性溶液可以胜任各向异性刻蚀的工作，但是其中最著名化锂、氢氧化铯以及氨水等。EDP最正确，但是其中的乙二胺毒性比较大，而且易挥发，所以。在升温的体系中比较难以承受，因此已经被大多数工艺线所摈弃，目前最KOH。KOH没有显著毒性，但是也是危急的化学品，特别是在60-100度的刻蚀温度区间内，它的腐蚀力量格外了得，操作要特别留意自我保护。一个简洁的装置就能够满足使用要求，更为简洁的是无上盖回流装置的外溢式构造，辐射加热兼磁力搅拌的方式。无论何种体系，整个装置必需置于通风柜内工作，以散逸持续产生的氢气。KOH体系中可以承受的掩膜介质有二氧化硅、氮化硅、炭化硅、金属 等也可用，其中二氧化硅占确定优势地位，炭化硅最正确，而氮化硅因内应力会损坏最终形成的脆弱构造。1002微米以下的掩膜足以在大多数状况下使500微米左右的硅片刻蚀洞穿。15%的体系，此时二氧化硅刻蚀速率很低，而硅腐蚀速率已经到达最高范围。但是常用的体系是30-40%左右，主要缘由在于刻蚀面的形貌。设计工艺时可以依据目标敏捷选择。1.5－2微米的二氧化硅刻蚀造成的线条展宽应当在3-4微米左右，但是刻蚀有时钻蚀严峻会造成线条剥离。刻蚀二氧化硅掩膜。干法刻蚀的过渡掩膜是一般的光刻胶，3-4RIE刻蚀可以充分保证线宽精度。此外，PECVD生长的炭化硅和氮化硅都不会在KOH中产生腐蚀，所以，也可以最为周密线宽掌握的掩膜，但是它们同样必需用干法刻蚀图形化。一些金属辅以适当的衬底可以作为稳定掩膜材料使用，但是通常它们的牢靠性有肯定问题，主要是剥离。构造特点：KOH刻蚀液的底切作用将持续攻击掩膜