各向同性濕法腐蝕

1、濕法腐蝕單擊這里添加副標(biāo)題2Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 【目錄頁(yè)】濕法腐蝕的基礎(chǔ)知識(shí)1各向同性濕法腐蝕的原理2各向同性濕法腐蝕的應(yīng)用33Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 【刻蝕參數(shù)刻蝕參數(shù)】刻蝕速率刻蝕速率刻蝕偏差刻蝕偏差刻蝕剖面刻蝕剖面殘留物殘留物選擇比選擇比均勻性均勻性4Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 【刻蝕速率刻蝕速率】指在刻蝕過(guò)程中去除硅片表面材料的速度，指在刻蝕過(guò)程中去除硅片表面材料的速度，通常用通常用

2、/min表示表示?？涛g速率刻蝕速率=T/t （ /min） 負(fù)載效應(yīng)負(fù)載效應(yīng)5Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 【刻蝕偏差刻蝕偏差】指刻蝕以后線寬或關(guān)鍵尺寸間距的變化。指刻蝕以后線寬或關(guān)鍵尺寸間距的變化?？涛g偏差刻蝕偏差=Wb-Wa6Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 【均勻性均勻性】刻蝕均勻性是用于衡量刻蝕工藝在整個(gè)硅片上，或刻蝕均勻性是用于衡量刻蝕工藝在整個(gè)硅片上，或整個(gè)一批，或批與批之間刻蝕能力的參數(shù)。整個(gè)一批，或批與批之間刻蝕能力的參數(shù)。難點(diǎn)在于刻蝕工藝必須在刻蝕具有不同圖

3、形密難點(diǎn)在于刻蝕工藝必須在刻蝕具有不同圖形密度的硅片工藝中保持均勻性度的硅片工藝中保持均勻性深寬比相關(guān)刻蝕，或微負(fù)載效應(yīng)深寬比相關(guān)刻蝕，或微負(fù)載效應(yīng)7Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 【濕法腐蝕的影響因素濕法腐蝕的影響因素】1. 刻蝕劑濃度刻蝕劑濃度 (Concentration)2. 刻蝕時(shí)間刻蝕時(shí)間 (Time)3. 刻蝕劑溫度刻蝕劑溫度 (Temperature)4. 刻蝕方式，例如刻蝕方式，例如Spray，Dip等方式等方式5. 晶面方向（晶面方向（Crystallographic Orientation）8Copyright

4、2012 Andy Guo. All rights reserved。 【典型薄膜的濕法腐蝕典型薄膜的濕法腐蝕】1、SiO2采用采用HF腐蝕腐蝕BOE：buffered oxide etching或或BHF: buffered HF加入加入NH4F緩沖液：緩沖液：彌補(bǔ)腐蝕氧化物過(guò)程中氟離彌補(bǔ)腐蝕氧化物過(guò)程中氟離子的損耗和降低對(duì)膠的腐蝕子的損耗和降低對(duì)膠的腐蝕速率速率實(shí)際用實(shí)際用例例2：Si采用采用HNO3和和HF腐蝕（腐蝕（HNA）首先首先然后然后所以，總方程式是所以，總方程式是在該腐蝕劑中加入醋酸，可以限制硝酸的離解。在該腐蝕劑中加入醋酸，可以限制硝酸的離解。各向同性濕法腐蝕各向同性濕法腐蝕

5、例例3：Si采用采用KOH腐蝕腐蝕Si + 2OH- + 4H2O Si(OH)2+ + 2H2 + 4OH-硅濕法腐蝕由于晶向而產(chǎn)生的各向異性腐蝕硅濕法腐蝕由于晶向而產(chǎn)生的各向異性腐蝕各向異性各向異性各向異性濕法腐蝕各向異性濕法腐蝕13Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 【各向同性施法腐蝕機(jī)理各向同性施法腐蝕機(jī)理】Migration of ReactantsChemical Reaction or Electrochemical Reaction Movement of byproduct刻蝕過(guò)程包括三個(gè)步驟： 反應(yīng)物質(zhì)量輸運(yùn)（反應(yīng)物質(zhì)

6、量輸運(yùn)（Mass transport）到要被刻蝕的表）到要被刻蝕的表面面 在反應(yīng)物和要被刻蝕的膜表面之間的反應(yīng)在反應(yīng)物和要被刻蝕的膜表面之間的反應(yīng) 反應(yīng)產(chǎn)物從表面向外擴(kuò)散的過(guò)程反應(yīng)產(chǎn)物從表面向外擴(kuò)散的過(guò)程改變表面形貌的兩個(gè)主要因素：改變表面形貌的兩個(gè)主要因素：1、氣體和固體副產(chǎn)物作為遮蓋層（、氣體和固體副產(chǎn)物作為遮蓋層（mask），），會(huì)限制反應(yīng)物的吸收（會(huì)限制反應(yīng)物的吸收（adsorption）和反應(yīng)產(chǎn)）和反應(yīng)產(chǎn)物的解吸附（物的解吸附（desorption）2、質(zhì)量輸運(yùn)效應(yīng)（、質(zhì)量輸運(yùn)效應(yīng)（mass-transport effect）氣體和固體副產(chǎn)物作為掩蓋層氣體和固體副產(chǎn)物作為掩蓋層（ma

7、sk）如果掩蓋物的尺寸較大，就會(huì)使被腐蝕表面變得粗糙質(zhì)量輸運(yùn)效應(yīng)質(zhì)量輸運(yùn)效應(yīng) (Mass-transport Effect)如果整個(gè)表面反應(yīng)過(guò)程（包括反應(yīng)物的吸附，表如果整個(gè)表面反應(yīng)過(guò)程（包括反應(yīng)物的吸附，表面反應(yīng)和反應(yīng)產(chǎn)物的解吸附）的速率明顯比整個(gè)面反應(yīng)和反應(yīng)產(chǎn)物的解吸附）的速率明顯比整個(gè)反應(yīng)物向表面輸運(yùn)或反應(yīng)產(chǎn)物離開(kāi)表面的輸運(yùn)過(guò)反應(yīng)物向表面輸運(yùn)或反應(yīng)產(chǎn)物離開(kāi)表面的輸運(yùn)過(guò)程快，就可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)拋光程快，就可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)拋光。 當(dāng)質(zhì)量運(yùn)輸過(guò)程主導(dǎo)整個(gè)腐蝕速率時(shí)，當(dāng)質(zhì)量運(yùn)輸過(guò)程主導(dǎo)整個(gè)腐蝕速率時(shí)，在硅表面會(huì)形成一個(gè)濃度邊界層在硅表面會(huì)形成一個(gè)濃度邊界層（concentration boundary

8、layer）。）。 濕法腐蝕分類(lèi)濕法腐蝕分類(lèi)各向同性濕法腐蝕各向異性濕法腐蝕酸性腐蝕堿性腐蝕反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)速率（kinetic rate）足夠大，存在質(zhì)量輸運(yùn)效應(yīng)，幾乎都是各向同性氧化和溶解的動(dòng)力學(xué)速率都很低，為實(shí)現(xiàn)良好的腐蝕，腐蝕液常要加熱 。幾乎都是各向異性酸性腐蝕系統(tǒng)酸性腐蝕系統(tǒng)（Acid etch system）首先然后酸性腐蝕劑由對(duì)硅進(jìn)行氧化的化學(xué)成分（如HNO3）和溶解二氧化硅的氫氟酸組成。另外，添加其他的酸性溶液以稀釋改變粘度（調(diào)節(jié)質(zhì)量傳遞阻力）。 最常用的是硝酸和氫氟酸的混合液,其中也包含水或醋酸作為稀釋劑。 反應(yīng)過(guò)程為：第一步第二步總的反應(yīng)方程式腐蝕過(guò)程中，氫氣和NOx氣體都會(huì)

9、釋放出去。但在離開(kāi)表面之前，這些氣體產(chǎn)物都作為掩蓋物，可以使被腐蝕表面形貌變得粗糙。 總結(jié)總結(jié) 酸性腐蝕大多數(shù)是各向同性的，質(zhì)量輸運(yùn)效應(yīng)會(huì)影響整個(gè)腐蝕速率，氣泡狀覆蓋物可以使表面粗糙。然而，通過(guò)認(rèn)真選擇腐蝕劑和腐蝕設(shè)備，質(zhì)量輸運(yùn)效應(yīng)可以被用來(lái)化學(xué)拋光（Chemically polish）硅晶圓。 表面粗糙度對(duì)半導(dǎo)體晶圓過(guò)程來(lái)說(shuō)是不利的，因?yàn)檫@意味著需要額外的表面拋光去除工藝；然而，它對(duì)太陽(yáng)能晶圓來(lái)說(shuō)可以減小反射，這是一個(gè)有利因素。24Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 【各向同性濕法腐蝕應(yīng)用各向同性濕法腐蝕應(yīng)用】硅的各向同性腐蝕技術(shù)制備硅

10、的各向同性腐蝕技術(shù)制備球面微透鏡球面微透鏡微透鏡微透鏡優(yōu)點(diǎn)：其體積小、重量輕、便于集成化、陣列化等應(yīng)用：微透鏡陣列在微光學(xué)系統(tǒng)中有著重要而廣泛的應(yīng)用，如可用于光信息處理、光計(jì)算、光互連、光數(shù)據(jù)傳輸、生成二維點(diǎn)光源，也可用于復(fù)印機(jī)、圖像掃描儀、傳真機(jī)、照相機(jī)，以及醫(yī)療衛(wèi)生器械中。 硅晶圓模具硅晶圓模具（wafer-scale mold）的制備的制備硅的各向同性施法腐蝕技術(shù)可以制作硅的各向同性施法腐蝕技術(shù)可以制作出很好的球度出很好的球度（sphericity），較小的表面，較小的表面粗糙度粗糙度（surface roughness）和優(yōu)異的均勻和優(yōu)異的均勻度度（uniformity）的球形孔洞。的

11、球形孔洞。 制作球面模具的原理圖制作球面模具的原理圖 第一步第一步制備表面堅(jiān)膜（制備表面堅(jiān)膜（hard mask） 第二步第二步復(fù)制掩膜版的圖案復(fù)制掩膜版的圖案第三步第三步濕法腐蝕制備球形腐蝕腔濕法腐蝕制備球形腐蝕腔第四步第四步移除表面遮蔽層移除表面遮蔽層實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比a）腐蝕1min，直徑120m孔洞形成的腐蝕腔有效直徑是126.7m，其深度為5.7m b）腐蝕20min ，直徑100m孔洞形成的腐蝕腔有效直徑為155.7m，而深度為46m腐蝕45min后，a）遮蓋層孔洞直徑和腐蝕腔深度的關(guān)系b）遮蓋層孔洞直徑和模具直徑的關(guān)系 圖三. 3英寸的硅片上制備了25個(gè)不同尺寸的模具陣列

12、圖四. 直徑為116.7m球形模具的掃描電鏡圖 總結(jié)總結(jié)該實(shí)驗(yàn)研究了用各向同性濕法腐蝕技術(shù)制備半該實(shí)驗(yàn)研究了用各向同性濕法腐蝕技術(shù)制備半球形的硅模具。使用這些模具這些模具可以通球形的硅模具。使用這些模具這些模具可以通過(guò)傳統(tǒng)的復(fù)制技術(shù)制備復(fù)合材料的微透鏡。這過(guò)傳統(tǒng)的復(fù)制技術(shù)制備復(fù)合材料的微透鏡。這種模具具有優(yōu)良的表面平整度，好的均勻性和種模具具有優(yōu)良的表面平整度，好的均勻性和可重復(fù)性?？芍貜?fù)性。 參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：1. 郭志球 ,柳錫運(yùn)等. 各向同性腐蝕法制備多晶硅絨面J. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào).2007,25(1):95982. Henry F. Erk. Wet etching techno

13、logy for semiconductor and solar silicon manufacturing-fundamentals J. ECS Trans.2010,27(1):106110713. Henry F. Erk. Wet etching technology for semiconductor and solar silicon manufacturing-fundamentals J. ECS Trans.2010,27(1):107310804. V. B. Svetovoy, J. W. Berenschot, and M. C. Elwenspoek. Precis

14、e test of the diffusion-controlled wet isotropic etching of silicon via circular mask openings J. Journal of The Electrochemical Society.2006,153(9):6416475. K. Furuya, K. Nakanishi, R. Takei, E. Omoda, M. Suzuki et al. Nanometer-scale thickness control of amorphous silicon using isotropic wet-etchi

15、ng and low loss wire waveguide fabrication with the etched material . Appl. Phys. Lett.2012, 100, 2511086. Jorge Albero1, Lukasz Nieradko1, Christophe Gorecki et al.Fabrication of spherical microlenses by a combination of isotropic wet etching of silicon and molding techniquesJ. OPTICS EXPRESS.2009, 17(8):628362927. Katsumi Furuya, Youichi Sakakibara, Koichi Nakanishi et al. Fine thickness control of amorphous silicon by wet-etching for low loss w