各向同性湿法腐蚀

1、湿法腐蚀单击这里添加副标题2Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 【目录页】湿法腐蚀的基础知识1各向同性湿法腐蚀的原理2各向同性湿法腐蚀的应用33Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 【刻蚀参数刻蚀参数】刻蚀速率刻蚀速率刻蚀偏差刻蚀偏差刻蚀剖面刻蚀剖面残留物残留物选择比选择比均匀性均匀性4Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 【刻蚀速率刻蚀速率】指在刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度，指在刻蚀过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。刻蚀速率刻蚀速率=T/t （ /min） 负载效应负载效应5Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 【刻蚀偏差刻蚀偏差】指刻蚀以后线宽或关键尺寸间距的变化。指刻蚀以后线宽或关键尺寸间距的变化。刻蚀偏差刻蚀偏差=Wb-Wa6Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 【均匀性均匀性】刻蚀均匀性是用于衡量刻蚀工艺在整个硅片上，或刻蚀均匀性是用于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。整个一批，或批与批之间刻蚀能力的参数。难点在于刻蚀工艺必须在刻蚀具有不同图

3、形密难点在于刻蚀工艺必须在刻蚀具有不同图形密度的硅片工艺中保持均匀性度的硅片工艺中保持均匀性深宽比相关刻蚀，或微负载效应深宽比相关刻蚀，或微负载效应7Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 【湿法腐蚀的影响因素湿法腐蚀的影响因素】1. 刻蚀剂浓度刻蚀剂浓度 (Concentration)2. 刻蚀时间刻蚀时间 (Time)3. 刻蚀剂温度刻蚀剂温度 (Temperature)4. 刻蚀方式，例如刻蚀方式，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。 【典型薄膜的湿法腐蚀典型薄膜的湿法腐蚀】1、SiO2采用采用HF腐蚀腐蚀BOE：buffered oxide etching或或BHF: buffered HF加入加入NH4F缓冲液：缓冲液：弥补腐蚀氧化物过程中氟离弥补腐蚀氧化物过程中氟离子的损耗和降低对胶的腐蚀子的损耗和降低对胶的腐蚀速率速率实际用实际用例例2：Si采用采用HNO3和和HF腐蚀（腐蚀（HNA）首先首先然后然后所以，总方程式是所以，总方程式是在该腐蚀剂中加入醋酸，可以限制硝酸的离解。在该腐蚀剂中加入醋酸，可以限制硝酸的离解。各向同性湿法腐蚀各向同性湿法腐蚀

5、例例3：Si采用采用KOH腐蚀腐蚀Si + 2OH- + 4H2O Si(OH)2+ + 2H2 + 4OH-硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀各向异性各向异性各向异性湿法腐蚀各向异性湿法腐蚀13Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 【各向同性施法腐蚀机理各向同性施法腐蚀机理】Migration of ReactantsChemical Reaction or Electrochemical Reaction Movement of byproduct刻蚀过程包括三个步骤： 反应物质量输运（反应物质

6、量输运（Mass transport）到要被刻蚀的表）到要被刻蚀的表面面 在反应物和要被刻蚀的膜表面之间的反应在反应物和要被刻蚀的膜表面之间的反应 反应产物从表面向外扩散的过程反应产物从表面向外扩散的过程改变表面形貌的两个主要因素：改变表面形貌的两个主要因素：1、气体和固体副产物作为遮盖层（、气体和固体副产物作为遮盖层（mask），），会限制反应物的吸收（会限制反应物的吸收（adsorption）和反应产）和反应产物的解吸附（物的解吸附（desorption）2、质量输运效应（、质量输运效应（mass-transport effect）气体和固体副产物作为掩盖层气体和固体副产物作为掩盖层（ma

7、sk）如果掩盖物的尺寸较大，就会使被腐蚀表面变得粗糙质量输运效应质量输运效应 (Mass-transport Effect)如果整个表面反应过程（包括反应物的吸附，表如果整个表面反应过程（包括反应物的吸附，表面反应和反应产物的解吸附）的速率明显比整个面反应和反应产物的解吸附）的速率明显比整个反应物向表面输运或反应产物离开表面的输运过反应物向表面输运或反应产物离开表面的输运过程快，就可以实现化学抛光程快，就可以实现化学抛光。 当质量运输过程主导整个腐蚀速率时，当质量运输过程主导整个腐蚀速率时，在硅表面会形成一个浓度边界层在硅表面会形成一个浓度边界层（concentration boundary

8、layer）。）。 湿法腐蚀分类湿法腐蚀分类各向同性湿法腐蚀各向异性湿法腐蚀酸性腐蚀碱性腐蚀反应的动力学速率（kinetic rate）足够大，存在质量输运效应，几乎都是各向同性氧化和溶解的动力学速率都很低，为实现良好的腐蚀，腐蚀液常要加热 。几乎都是各向异性酸性腐蚀系统酸性腐蚀系统（Acid etch system）首先然后酸性腐蚀剂由对硅进行氧化的化学成分（如HNO3）和溶解二氧化硅的氢氟酸组成。另外，添加其他的酸性溶液以稀释改变粘度（调节质量传递阻力）。 最常用的是硝酸和氢氟酸的混合液,其中也包含水或醋酸作为稀释剂。 反应过程为：第一步第二步总的反应方程式腐蚀过程中，氢气和NOx气体都会

9、释放出去。但在离开表面之前，这些气体产物都作为掩盖物，可以使被腐蚀表面形貌变得粗糙。 总结总结 酸性腐蚀大多数是各向同性的，质量输运效应会影响整个腐蚀速率，气泡状覆盖物可以使表面粗糙。然而，通过认真选择腐蚀剂和腐蚀设备，质量输运效应可以被用来化学抛光（Chemically polish）硅晶圆。 表面粗糙度对半导体晶圆过程来说是不利的，因为这意味着需要额外的表面抛光去除工艺；然而，它对太阳能晶圆来说可以减小反射，这是一个有利因素。24Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 【各向同性湿法腐蚀应用各向同性湿法腐蚀应用】硅的各向同性腐蚀技术制备硅

10、的各向同性腐蚀技术制备球面微透镜球面微透镜微透镜微透镜优点：其体积小、重量轻、便于集成化、阵列化等应用：微透镜阵列在微光学系统中有着重要而广泛的应用，如可用于光信息处理、光计算、光互连、光数据传输、生成二维点光源，也可用于复印机、图像扫描仪、传真机、照相机，以及医疗卫生器械中。 硅晶圆模具硅晶圆模具（wafer-scale mold）的制备的制备硅的各向同性施法腐蚀技术可以制作硅的各向同性施法腐蚀技术可以制作出很好的球度出很好的球度（sphericity），较小的表面，较小的表面粗糙度粗糙度（surface roughness）和优异的均匀和优异的均匀度度（uniformity）的球形孔洞。的

11、球形孔洞。 制作球面模具的原理图制作球面模具的原理图 第一步第一步制备表面坚膜（制备表面坚膜（hard mask） 第二步第二步复制掩膜版的图案复制掩膜版的图案第三步第三步湿法腐蚀制备球形腐蚀腔湿法腐蚀制备球形腐蚀腔第四步第四步移除表面遮蔽层移除表面遮蔽层实验结果对比实验结果对比a）腐蚀1min，直径120m孔洞形成的腐蚀腔有效直径是126.7m，其深度为5.7m b）腐蚀20min ，直径100m孔洞形成的腐蚀腔有效直径为155.7m，而深度为46m腐蚀45min后，a）遮盖层孔洞直径和腐蚀腔深度的关系b）遮盖层孔洞直径和模具直径的关系 图三. 3英寸的硅片上制备了25个不同尺寸的模具阵列

12、图四. 直径为116.7m球形模具的扫描电镜图 总结总结该实验研究了用各向同性湿法腐蚀技术制备半该实验研究了用各向同性湿法腐蚀技术制备半球形的硅模具。使用这些模具这些模具可以通球形的硅模具。使用这些模具这些模具可以通过传统的复制技术制备复合材料的微透镜。这过传统的复制技术制备复合材料的微透镜。这种模具具有优良的表面平整度，好的均匀性和种模具具有优良的表面平整度，好的均匀性和可重复性。可重复性。 参考文献：参考文献：1. 郭志球 ,柳锡运等. 各向同性腐蚀法制备多晶硅绒面J. 材料科学与工程学报.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