MEMS湿法腐蚀工艺和过程

219/219第8章MEMS湿法腐蚀工艺和过程DavidW.Burns摘要：通过光刻胶或硬掩膜窗口进行的湿法化学腐蚀在MEMS器件制造的许多工艺过程中大量存在。本章针对400多种衬底和淀积薄膜的组合介绍了800多种湿法腐蚀配方,着重介绍了在大学和工业界超净间中常见的实验室用化学品。另外给出了600多个有关选择或开发制造MEMS器件的新配方的文献。也给出了近40个内部整合的材料和腐蚀特性的图表，方便读者迅速寻找和比较这些配方。有关目标材料和腐蚀特性的缩略语为方便比较都进行了统一。腐蚀速率和对其他材料的腐蚀选择性也给出了。除了重点讨论在MEMS领域常用的硅和其他常用材料外，III-V化合物半导体和更新的材料也有涉及。本章讨论主题涉及湿法腐蚀原理与过程；整合湿法腐蚀步骤的工艺方法；湿法腐蚀过程的评估和开发及侧重安全的设备和向代工厂转移的预期；氧化物，氮化物，硅，多晶硅，和锗各向同性腐蚀；标准金属腐蚀；非标准绝缘介质，半导体和金属腐蚀；光刻胶去除和硅片清洗步骤；硅化物腐蚀；塑料和聚合物刻蚀；硅各向异性刻腐蚀，体硅和锗硅自停止腐蚀；电化学腐蚀和自停止；光助腐蚀和自停止；薄膜自停止腐蚀；牺牲层去除；多孔硅形成；用于失效分析的层显；缺陷判定；针对湿法化学腐蚀的工艺和过程，给出了几个实际的案例。对器件设计人员和工艺研发人员，本章提供了一个实际和有价值的指导，以选择或发展一个对许多类型MEMS和集成MEMS器件的腐蚀。D．W．BurnsBurnsEngineering,SanJose,CA,USAe-mail:dwburns@8.1引言很少有微机械化或集成化的器件是在没有进行一些湿法化学处理的情况下开发或制造的。不管器件是否是电气的，机械的，电子的，集成的，光学的，光电子学的，生物的，聚合的，微流控的传感器或执行器，有关这些器件的制造工艺或过程的替换决定将对最终的技术和商业成功有重要影响。这些器件通常在硅衬底、化合物半导体、玻璃、石英、陶瓷或塑性材料上制造，可能涉及在这些材料上淀积一层或多层薄膜并光刻和腐蚀。这些层和淀积顺序受工艺和用于开发和制造该器件的工艺单元限制，随着层数的增长变的越来越复杂和相互影响。湿法腐蚀是使用液态腐蚀剂系统化的有目的性的移除材料，在光刻掩膜涂覆后（一个曝光和显影过的光刻胶）或者一个硬掩膜（一个光刻过的抗腐蚀材料）后紧接该步腐蚀。这个腐蚀步骤之后，通常采用去离子水漂洗和随后的掩膜材料的移除工艺。湿法腐蚀可替换工艺包括干法刻蚀，即使用一种或多种低压力的反应气体，采用RF感应激励后进行反应，然后再将反应生成的气态物质抽出。非等离子干法刻蚀，例如双氟化疝或氢氟酸的酸性蒸气腐蚀，拥有各向同性湿法腐蚀的诸多特性，该腐蚀通常在一个有限的腔室内完成。近乎所有IC,MEMS,MOEMS,MST和NEMS类的器件的产生都很可能与一些湿法腐蚀工艺有关。整个工艺流程可被描述为一系列步骤或者序列，这些湿法腐蚀常用于选择性的去除淀积薄膜的一部分，剥去诸如硬掩膜和光刻胶等特定的材料，为以后的加工清洗和准备衬底，去除牺牲层和部分衬底，以及形成三维结构。一个湿法腐蚀工序需要考虑如下一些因素，包括有效的腐蚀剂，腐蚀选择性，腐蚀速率，各向同性腐蚀，材料的兼容性，工艺的兼容性，花费，设备的可用性，操作人员的安全，技术支持和适当的废物处理。尽管器件设计者，工艺设计师，或者制造商在工艺允许的情况下可能偏向使用一个完整的干法处理流程，但是许多标准的处理步骤例如光刻胶的显影和圆片清洗仍然湿法的。与干法刻蚀相比，湿法腐蚀工序在成本，速度，性能发面更有优势。干法刻蚀的仿真还不可用，如常用的微结构的选择性钻蚀或与晶向相关的腐蚀仿真等。相比湿法腐蚀，人们可能更倾向于选择干法工艺，在一个装备好的工艺线或者如果湿法腐蚀效果不好的情况下尤其如此。不管怎样，对湿法加工来说，其优点是器件可以在相对低成本，低劳务管理费用或者低的技术支持下开发和制造。考虑到干法刻蚀要求在一个昂贵的等离子区或者RIE腐蚀系统里有长的腐蚀时间，湿法腐蚀变得特别有吸引力，需要同时处理整盒圆片（25片装圆片盒）或更多的圆片时，湿法腐蚀在成本和时间上的效益更突出。不管选择干法还是湿法加工工艺，总是强烈受到在特定的加工环境下设备的可用性及对开发者有用的工艺限制。成功的设计者，开发者和制造商几乎总是使用或修改趁手的工艺。除非是必须开发新工艺，安装新设备，或者取得新的工艺技能，一般总是避免额外的需求。理解什么时候要应用干法和湿法这两个工艺并且在可能的情况下使用标准工艺是很重要的。表8.1总结比较湿法和干法刻蚀之间的一般注意事项。表8.1湿法和干法刻蚀之间一般比较考虑干法刻蚀湿法腐蚀1存在腐蚀高高2腐蚀速率适中，可变高，可变3腐蚀均匀性适中，可变适中，可变4材料选择性低，可变谨慎选择下高5圆片产量适中高6掩膜选择性适中，可变谨慎选择下高7使用光刻胶掩膜高某些情况下不能用8光刻图形分辨率高适中9背面衬底暴露低高10腐蚀可靠性高适中；采用自动化可改进11腐蚀重复性高适中；采用自动化可改进12培训和维护适中低13操作者暴露于化学品低适中14单位工艺成本适中低15设备成本高低16设施成本高低本章开始对湿法腐蚀的原理及工艺过程等进行了概述，然后一节讨论湿法腐蚀设施和工艺为本地和远程用户服务的评价和开发应用。接下来的两节介绍在人工和实际部门中采用IC兼容材料和非标准材料的湿法腐蚀工艺，IC兼容材料已经被集成电路制造商普遍接受，非标准材料可能需要单独或专用设备，设施，后处理或其他特殊考虑。其他部分包括硅的各向异性腐蚀和腐蚀自停止，采用湿法腐蚀液的牺牲层去除，多孔硅形成，及分层湿法腐蚀和缺陷测定湿法腐蚀。湿法腐蚀技术和工艺的进一步讨论中可以在许多优秀的书籍和期刊[1-30]中找到。8.2湿法腐蚀原理和流程架构在典型的工艺和制造流程中，半导体和MEMS加工的许多工艺都可归类为淀积，光刻和腐蚀三类工艺。淀积工艺可能包括某些添加工艺如外延式生长，电子束蒸发，溅射，化学气相沉积（CVD），低压化学气相沉积（LPCVD），有机金属化学气相沉积法（MOCVD），等离子增强化学气相沉积（PECVD）或者包括其他工艺，如热氧化或离子注入。光刻工艺一般包括旋涂光刻胶和采用接触对准机，步进机，或使用规定的光致抗蚀剂厚度和曝光时间的电子束光刻机系统的曝光。尤其在薄膜高度变化大的情况下，光刻胶厚度和曝光时间可根据需要进行调节，以确保获得足够的特征线条。腐蚀步骤一般基于等离子体或反应离子刻蚀。在干法刻蚀不可用或对一个特定的腐蚀工艺不恰当时，可以在流程中引入湿法腐蚀。通常是设计或开发一个MEMS器件时选择一个特定的湿法或干法刻蚀工艺，尽管当设备升级或转移到另一加工平台时这个选择可能被修改。如图8.1所示，对MEMS器件来说，已经有多种可用的或研制出来的工艺方法，如完全集成或完全定制的工艺，半定制或标准的MEMS工艺，其他已成熟工艺的变种，多个工艺平台上的工艺单元模块等。完全集成的MEMS流程可基于已建立的CMOS，BiCMOS工艺，或化合物半导体工艺。完全定制的流程一般是一个专用的工艺，掩膜次数极少，主要用于原型，最初的生产，或高产量的器件。半定制流程包括面向特定器件的MEMS工艺，该工艺可能位于集成电路工艺之前或之后，也可能是圆片级也可能是芯片级。标准MEMS工艺包括可靠的单层和多层多晶工艺，金属工艺，SOI或LIGA工艺，以及多用户和多器件工艺。工艺变种包括对已定型工艺相对轻微的调整，如起始材料的变化，薄膜厚度或腐蚀深度的微小变化，从一个标准的流程中消除无关光刻步骤。对于那些愿意将圆片在多个制造平台之间传递的人来说，工艺单元模块可能在一到多个具有专门加工能力的小工艺平台加工。这些平台在诸如薄膜沉积，外延生长或离子注入，光刻和腐蚀，化学机械抛光，和后道工艺切割和包装等方面有专长。如果需要，完全集成的和标准的MEMS工艺往往提供给用户选择任何腐蚀剂的决定权，因为这些加工工艺在一个特定的平台中已建立并规范化了。用户可能不知道或不需要知道这些腐蚀工艺的详细信息。一个完全集成的工艺范例是将集成电路工艺与认可的兼容MEMS工艺混合在一起。全定制的MEMS工艺选择湿法和干法刻蚀工艺最自由，对于早期的器件开发，器件只需要几个光刻版，非常高产量的器件尤其如此。半定制工艺允许MEMS工艺放在已经制造的有源器件（即CMOS）工艺之前，更多放在之后，给开发人员选择湿法或干法刻蚀工艺的机会，以满足特定的薄膜刻蚀的要求。工艺变化可包括对腐蚀步骤进行修改，以满足薄膜腐蚀的要求。工艺单元的用户在湿法工艺的选择和使用方面最有发言权。图8.1针对MEMS器件的工艺方案，包括全集成工艺、对标准集成电路或MEMS工艺的修改、半定制和全定制工艺、标准（如多器件和多用户）MEMS工艺及工艺单元。湿法腐蚀工艺可以由所选工艺方案决定，对适合标准和全集成工艺的器件尤其如此。特殊的湿法腐蚀工艺可能需要选择工艺参数、半定制、全定制或工艺单元。许多公司提供代工服务，代工范围包括从任何地方单步加工工艺、工艺模块到成熟的已建立流程。一些较大的代工厂提供MEMS服务，如有变更，请参考文献[31]。例如，用户可能会提交一个CAD设计到外包服务，该服务可以提供对各种材料的顶部进行多层电镀形成多层金属结构[32]。通过网上搜索，或与行业专家和代工厂的代表交流可以找到一些提供工艺单元的代工厂。图8.2湿法腐蚀选择和开发原则包括：确定有效性，显示出重复性和可靠性，如果可能采用已有工艺，确保工艺兼容和评估成本选择湿腐蚀工艺模块需要多方面的考虑，其中一些如图8.2所示。对特定器件的一般工艺流程开发之后，腐蚀工艺要进行评估看是否应该是湿法或干法刻蚀。湿法腐蚀的第一选择原则是，基于腐蚀选择性，腐蚀速率，侧壁上的工艺要求确定候选的腐蚀液或腐蚀工艺的有效性。选择性必须足够高以便在对掩膜材料损伤最小的情况下能刻蚀所想要刻的材料，并且任何暴露出来的要刻蚀材料必须被刻干净。在可能的情况下，腐蚀速率应选择在2-5分钟左右完成腐蚀：腐蚀时间要足够长以便将插入圆片和润湿的影响降到最小，时间又要足够短，以保持工作流程恰当和降低工艺单元成本。专用腐蚀，如牺牲层腐蚀或衬底的各向异性刻蚀，可能需要几个小时或更长时间。选择湿法腐蚀时，侧壁可以是一个重要的考虑因素。湿法腐蚀和干法刻蚀相比，能显著钻蚀掩膜图案。在湿法腐蚀中，精细线条，如相邻线和间隔等可能会完全消失。对暗场掩膜来说，钻蚀也会导致器件特征尺寸变宽，影响设计规则，并在某些情况下限制了芯片尺寸。在某些情况下，一般用湿法腐蚀产生的斜侧壁是有利的，它能允许后续薄膜沉积和图案有更好的台阶覆盖。湿法腐蚀的第二个选择原则是，可证明重复性，可靠性，湿法腐蚀的鲁棒性。举例来说，一个挑剔的腐蚀工艺要求操作者特别关注，甚至轻微的腐蚀变化就可以毁掉整个工艺。一个良好的湿法腐蚀工艺必须有过腐蚀的能力，允许5-15％或以上的过腐蚀余量，同时对器件性能和产量的影响微乎其微。一个理想的湿法腐蚀有自停止特性的过腐蚀能力，对其他暴露材料有近无限的选择性。腐蚀工艺的一个更有利的优点是对操作者控制的腐蚀有一个可见的腐蚀终止点和能在线验证被腐蚀薄膜或底膜的薄膜厚度，这确保了所选材料在目标区域内彻底被腐蚀掉。湿法腐蚀通常对腐蚀温度，腐蚀液浓度，以前的使用量，腐蚀剂年龄，腐蚀剂的蒸发或在腐蚀液中的稀释，腐蚀剂要腐蚀的晶圆数量、包括基板背面的暴露面积的百分比，特征尺寸，薄膜的成分，薄膜形貌，退火历史，表面污染，表面残留物，孵化时间，搅拌，室内照明，对每一个可靠的腐蚀工艺控制的认真态度等都敏感。如果腐蚀太慢；对其他掩膜材料和衬底的选择性不足；缺乏均匀性;针对后续衬底加工存在污染问题;产生不想要的化合物；残留物，或蚀点；引起裂缝，肿胀，脱皮，或掩膜层的过度钻蚀；或需要笨重的存储，处理，处置，安全和设施考虑，可以考虑取消用该腐蚀液。虽然湿法腐蚀可能提供比干法刻蚀更高的对掩膜材料的选择性，但他们也可能对膜的组成和退火更敏感。湿法腐蚀的第三个选择原则是尽可能地使用现有的工艺。加工中心一般都会有某些材料(如二氧化硅)和金属(如铝)的湿法腐蚀能力，针对所要的薄膜厚度，可以根据需要适当修改工艺参数。对特定的工艺如衬底的各向异性腐蚀可能有专用的腐蚀槽位。对某些特殊的腐蚀要求，如广泛使用的牺牲层腐蚀，聪明的做法是修改现有工艺和设备，只需实现所需的腐蚀特性。那些已经开发出专用腐蚀液以制造某个器件的人员知道要进行开发，特性检测和规范化专用腐蚀液需要花费大量的时间和精力。湿法腐蚀的第四个选择原则是确保与器件加工及要开发器件的加工中心的其他方面的兼容性。通过圆片传递路径或公共承片台和腐蚀槽的圆片操作可能产生的和其他器件，设备和工艺的交叉污染将对其他器件产生不期望的损害。开发人员需要确保在一个特定的器件工艺流程中后续工艺是兼容的，要考虑后续淀积工艺的台阶覆盖和光刻胶旋涂，易碎器件的操作，切片要求和封装需求。在考虑到上述湿法腐蚀选择的原则之后如存在多个选项，下一步就是要考虑开发，制造和技术转让，设备和设施的维护，与地面空间的高度，工艺控制，和供应相关的所有成本。使用现有的设施内的已有工艺的成本一般最低，因为现有工艺腐蚀费用通常是最合理的，不需要花费额外的资本或开发努力。那些已经开发或正在开发的半导体或MEMS器件的人认识到加工工序和器件设计之间需要广泛的互动。如果腐蚀工序不能进行调整以达到预期的效果，针对整个工艺方案的的调整可能会有所帮助。另外，器件设计可以经常进行调整，以容纳腐蚀或其他工艺过程的不当限制。8.2.1表面反应和反应物/副产品传输腐蚀系统通常由腐蚀烧杯或大小足以垂直地容纳一个或多个圆片的水槽组成，在一个腐蚀周期中圆片完全浸在腐蚀液中，如图8.3所示。可包括加热器，热电偶和搅拌器。水槽往往有用于维持酸/碱中和系统的排水管，一个专用的氢氟酸收集系统，或溶剂收集箱。腐蚀液可用外部的化学品储存设施从腐蚀瓶或永久安装的输送系统倒入水槽。对所用的腐蚀液而言腐蚀槽和液体分布系统是由惰性材料构成的，如全氟烷基（PFA），阻燃聚丙烯（PP），高密度聚乙烯（HDPE），聚四氟乙烯（PTFE或Teflon[特氟龙]），模压聚偏二氟乙烯（PVDF），或石英[27，33]等。不锈钢腐蚀槽偶尔也适用于溶剂，有时也适用于氢氧化钾的腐蚀剂。PFA腐蚀槽和支架可用于氢氧化钾腐蚀。为了安全和溢出控制，腐蚀槽可放置在另一个水箱或水槽内。为了保护操作者，水箱及水槽通常要用安装在湿法工作台上的防溅出的架空废液收集装置连接。图8.3腐蚀槽(a)用于存放腐蚀液，经常有一个加热器，热电偶，搅拌器和用于排出腐蚀剂的阀门。一个单独的漂洗槽(b)允许在晶圆旋转或吹干燥前用去离子水充分地冲洗晶圆。一个专用的支架或放有包含碳纤维，聚丙烯，全氟烷基，聚四氟乙烯或Teflon[特氟龙]，聚偏氟乙烯，或石英的PEEK的暗盒（未画出），在腐蚀和冲洗过程中可用于晶圆传输。湿法工作台上可能有定时器，灯和风扇开关，加热控制器，报警系统，和一个或多个专用的腐蚀清洗池和漂洗槽。漂洗槽也有类似的构造而且有丰富的去离子水喷雾或泡沫喷洒在晶圆上，稀释和去除晶圆上的腐蚀液。漂洗池在水箱底部可能会有下拉门用来在多个倾倒冲洗周期中迅速排出漂洗水。一些腐蚀工序要求晶圆腐蚀和漂洗要在同一个池中（即稀释冲洗），然而晶圆从腐蚀池到冲洗池一般都是通过手动或自动臂来运送的。晶圆支架或暗盒还必须对腐蚀剂没作用而且通常专用于特定的湿法工作台或腐蚀工艺以避免交叉污染的可能性。液体腐蚀工艺的通用模型如图8.4所示。当在腐蚀液中的反应物与被腐蚀材料暴露在外的表面化学反应时发生腐蚀，同时伴随着又重新溶解到腐蚀液中或以气体形式释放的副产品。腐蚀速率受在腐蚀液中反应物的浓度，扩散到裸露表面的反应物的局部运输，腐蚀液和正在刻蚀的材料之间的分界面的反应速率，表面上的反应产物的去除率及在刻蚀池内的反应产物的浓度等多方面影响。在液固界面的反应更是出奇地复杂。腐蚀可能涉及一个复合的氧化还原反应，先产生正在被腐蚀的材料的氧化物质，然后被腐蚀掉让新鲜的材料暴露，该过程连续进行实现腐蚀。二次效应可能发生，有时甚至占据主导地位，如从一个高深宽比特征的界面或从非润湿掩膜材料上产生的水蒸气壁垒。不需要的副产品，如盐残余物或在刻蚀表面形成的其他固体构成物，能产生腐蚀壁垒，这些壁垒减缓甚至能停止腐蚀。当气泡一直黏着在表面时，气体的局部演化能产生一个减缓腐蚀速率的微掩膜效应，从而导致形成粗糙的表面和可能的小丘形状的构成物。当晶圆部分清洗，然后重新插进伴有不充分的搅拌的腐蚀池中时，疏忽，局部腐蚀速率减少等可能会出现带有粘性或低溶解度的腐蚀剂。为了达到增强腐蚀速率的目的，往往通过：增加反应物的浓度，在高温下进行腐蚀，使用搅拌器以协助腐蚀流，改变腐蚀池来得到新的腐蚀液和排出累积的副产品，并尽量减少可能发生直接接触晶圆的支架或接近另一个晶圆的腐蚀障碍物。一般模型的速率限制方法通常需要确定增强哪项最具影响。尽管通过精心挑选的腐蚀剂和腐蚀剂浓度而得到适度的腐蚀速率，并在室温下腐蚀往往最方便和最安全，但增加腐蚀液的温度通常会导致更快的腐蚀。几乎所有的湿法腐蚀，包括各向异性腐蚀，当使用覆光刻胶或有图案特征的硬掩膜层时都存在某钟程度的钻蚀。一个理想的刻蚀，最好实现方法是干法刻蚀而不是湿法腐蚀，可以把光刻图形特征转换成具有较高的保真度和最小的特征失真的腐蚀层。湿法腐蚀由于其固有的腐蚀任何暴露的表面的特性，在底部会以相似的速率腐蚀侧壁。各向同性腐蚀产生一个横向的钻蚀距离，大小和腐蚀深度相同，这将产生一个如图8.4所示的有着大约与左手边的侧向图的刻蚀深度相等的曲线。钻蚀可以通过设计补偿掩膜或电子束直写工具上的相应功能的宽度调整的方式来得到补偿。钻蚀问题可以采用具有更垂直和最小横向刻蚀速率的干法刻蚀来代替湿法以减小对精细线条特征的影响。用各向异性材料或各向异性腐蚀剂，侧壁轮廓变得更加棱角分明。对于各向同性的情况下，当腐蚀剂腐蚀到底层的腐蚀停止层时，腐蚀剂会有很少的局部消耗而且横向腐蚀变得更迅速，这往往能得到平整的侧壁。图8.4通过掩膜层腐蚀到底层腐蚀停止层的液体传输机制示意图。腐蚀剂中提供的反应物与暴露部分的被刻蚀层不均匀地反应，导致该被刻蚀层产生一个或更多重新溶解在腐蚀液中或以气体形式释放的副产品。不足的反应物或副产品的过度集中会不规则地减缓腐蚀，尤其是紧凑的几何结构更明显。对大多数薄膜和非晶材料，反应是各向同性的，从上表面看显示出圆角，从侧面侧壁看的腐蚀剖面显示圆形腐蚀坑。当腐蚀到底部的腐蚀停止层，反应物消耗减小，横向腐蚀加快，造成一个更加棱角分明，更平坦的侧壁。具有高内应力的掩膜层或在上表面具有偏离形貌的腐蚀层将使掩膜层和腐蚀层之间的界面处腐蚀明显加快，这将有效地加快钻蚀。掩膜层的缺陷可能会导致不必要的局部腐蚀。图示为暗视场的掩膜层；尽管腐蚀的材料的量通常更大，亮场掩膜层也会发生类似的影响和现象。其他现象如高张应力掩膜层可能造成在图形开口附近的掩膜层有轻微的分离，这将导致在刻蚀过程中掩膜层会有轻微的剥落。这种剥落会加速分界面处的钻蚀和产生如图8.4中心附近的所示浅角度侧面形貌。当长宽比（相对掩膜厚度的钻蚀距离）增加时，压应力掩膜也可能会通过机械屈曲产生抬升，这进一步增加了腐蚀速率。横向腐蚀速率可以通过修改腐蚀层的特征的方式加速，如降低薄膜的顶部或底部的密度，在顶表面附近产生的高的缺陷密度，或局部注射高浓度的杂质。在腐蚀较深或在需要广泛的横向腐蚀的情况下，腐蚀剂可能局部受约束和耗尽，从而减少局部的刻蚀速率。掩膜层的缺陷，如小颗粒，可使腐蚀剂沿颗粒蔓延或通过一个开放的掩膜缺陷明显的移动来不明显地刻蚀底层材料，示意图如图8.4右侧所示。8.2.2腐蚀剂的选择性和掩膜考虑对湿法腐蚀工艺的选择和评估的一个主要考虑是腐蚀的选择性，选择性定义为要腐蚀材料的腐蚀速率与掩膜或底层材料的腐蚀速率的比值。虽然可以证明选择比低至1或更小也可用于薄膜腐蚀，但100或更高的腐蚀选择比是更可取的。尽管由于底层材料在过腐蚀阶段通常只暴露在溶液中很短的时间而很少关注，在腐蚀过程中针对停止层或其他暴露层的腐蚀选择性也可能有其重要性。正如在图8.5的图示中描绘的那样，更高的腐蚀选择性，通常允许更薄的掩膜层，更深的腐蚀，更薄的腐蚀停止层，以及更好的过腐蚀能力。腐蚀剂的选择也许要通过掩膜层来决定，反之亦然。掩膜层阻止腐蚀剂到达覆盖过的表面而且必须在刻蚀的过程中保持住。厚的掩膜层可以增加可实现的刻蚀深度。掩膜层在刻蚀过程中也可能产生一定程度的横向腐蚀。这种掩膜图形的变化可以通过掩护设计时对亮场或暗场掩膜图形自动添加或减去一个合适的数额来补偿。随着时间的推移，湿法腐蚀剂可能会吸收到掩蔽层中，使其膨胀，开裂，或可能的抬升，从而在意想不到的区域暴露刻蚀层。必须注意衬底背面的薄膜的状态，因为这部分以及衬底的边沿一般都直接暴露在腐蚀剂中。通过将光刻胶涂在背面，在背面放置抗腐蚀保护层或使用在腐蚀过程中能限制背面暴露的专用装置来提供额外的保护。图8.5随着相比掩膜层或腐蚀停止层的腐蚀液的选择比增加，掩膜厚度可以更薄，可实现的刻蚀可更深，刻蚀停止层可更薄，而且过腐蚀可更长如图8.6所示，在恰当的选择抗腐蚀掩膜层时需要考虑许多因素。主要考虑是现有的或标准的工艺对器件来说是否适当。由于建立一个新的腐蚀工序需要考虑成本和时间，最好的办法通常是采用基于光刻胶的标准腐蚀工艺，该工艺可能包括如下步骤：旋转，预烘，曝光，显影，后烘，腐蚀，冲洗，干燥和去胶。基本的光刻胶工艺一般都是集成电路兼容的，具有很少的污染风险，提供更好的分辨率，相比于那些可能使用初始光刻胶图案和腐蚀工艺形成硬掩膜功能的硬膜工艺来说，有更好的特征尺寸控制。光刻胶掩蔽工艺，一旦在加工中心装备，将降低开发一个新的腐蚀剂的成本。一般光刻胶工艺提供更低的工艺单元成本，包含较少的工艺步骤，整个工艺时间较短，在大多数情况下提供更好的台阶覆盖，而且在晶圆上旋涂比在晶圆上淀积薄膜来作为硬掩膜层更快。图8.6使用硬掩膜或光刻胶掩膜的考虑和结果表明：除了需要较高的抗腐蚀能力，更深的腐蚀，或衬底背面保护之外，光刻胶掩膜是一般的选择在需要的时候光刻胶工艺往往可以按MEMS器件的要求进行修改。例如，可以用更厚的光刻胶简单的通过放缓旋转速度或选择不同的具有较高的粘度和固体含量的光刻胶的方式来改善台阶覆盖。有时通过增大后烘时间或对负性光刻胶加强UV曝光等方法增强光刻胶掩膜的抗腐蚀特性。在小心的处理和对工艺流程的考虑之后，光刻胶可能会在晶圆的背面旋涂来提供任何必要的掩蔽或背面保护。类似的，背面光刻工艺一样可以通过对晶圆正面旋涂光刻胶来提供腐蚀保护和腐蚀期间正面的防划伤保护。8.2.3直接腐蚀和剥离技术当一些难以腐蚀的材料，如贵金属或几种金属层需要光刻的时候可能需要剥离技术，此时直接腐蚀是不合适的。剥离技术是首先在衬底基板上形成一个光刻后的光刻胶层，然后在该图案层直接用诸如电子束蒸发沉积阻挡层金属，而不是在已经沉积阻挡层金属的圆片上旋涂和光刻光刻胶，再直接腐蚀（见图8.7）。用某些特定方法剥离光刻胶，例如在装有溶剂的超声波槽中，通过超声振动，所选材料与衬底接触的地方保留，其余在光刻胶上的浮离或通过冲洗，刷，吹等或从衬底除去。由于在剥离前薄的沉积材料在光刻胶侧壁存在，导致剥离过程中可能会出现边缘锯齿状。改进的的剥离技术使用一种相对较薄的两层抗蚀剂系统，上层的光刻胶抗抗显影能力强些，下层抗抗显影能力弱些。当光刻胶系统曝光及显影，小的悬浮物出现在下层上方，这将使后续的溅射或电子束沉积薄膜变窄。请注意，对剥离工艺来说，光刻胶图案是反转的（即用于直接腐蚀正确的亮场掩膜，在剥离工艺中需要暗场）或采用负性光刻胶。另外，在精心挑选薄膜叠层后也可实现增强的剥离技术。图8.7对某些材料，剥离技术可以替代直接腐蚀，因为这些材料难以腐蚀或者腐蚀剂对其他暴露的材料没有足够的选择性。传统的腐蚀，如（a）是直接腐蚀暴露的材料，留下未腐蚀的掩膜材料。一般剥离工艺是将需要被去除的材料放置在形成组成图案的光刻胶顶部并且一起置于衬底上方，如图（b）所示，底下的光刻胶溶解后就不需要直接腐蚀材料了。在光刻胶侧壁或剥离层上的沉积材料已证明难以清除干净，并可能导致不必要的细线和微粒。在（c）图中，增强的剥离工艺有一个复合的光刻胶层，其中上方薄光刻胶比下层光刻胶对显影剂更抗蚀，这样，产生了一个悬浮边界以尽量减少侧壁沉积和提高腐蚀的稳定性。8.2.4牺牲层去除对于直接湿法腐蚀或干法刻蚀来讲，牺牲层腐蚀是一种特殊的挑战。牺牲层置于结构层下方，其特征诸如锚区开孔，凹陷，侧壁剖面，薄膜厚度和通过薄膜一步步叠加构造结构层。选择性地去除牺牲层一般通过使用液体腐蚀剂进行大范围的横向钻蚀，并留下部分或更多的独立的不需要依靠支撑物的部分而完成。牺牲层腐蚀剂对结构层和其他裸露、需要长时间牺牲腐蚀的材料来讲必须具有极高的选择性。缺乏合适的选择性腐蚀剂将限制可达到的钻蚀距离并且会限制用于结构层的材料选择。成功的牺牲腐蚀工艺一般有高过腐蚀能力，使操作者确保能完整去除牺牲层，并使设计师能将短钻蚀时间和长钻蚀时间结构应用在同一个器件上。牺牲层去除通常在相对短的向下刻蚀后开始大量的横向钻蚀。横向腐蚀通常在平面内所有的方向各向同性。如8.1节所述，腐蚀剂会因反应物不足而报废或对许多要腐蚀产品有害，同时也会减少本来的腐蚀速率。应该放置专门设计的几何图形以便使所有部分结构在几乎相同的时间释放；然而，即使钻蚀时间有很大不同，一个强有力的腐蚀剂，牺牲层和结构层组合要保证结构形成中的保真度。在腐蚀过程中，锚定的形状需要保持固定，牺牲层腐蚀剂不能使结构层从基片分离。腐蚀完成后，很容易检查的测试结构或器件的功能可以验证腐蚀过程。用于增强牺牲层腐蚀工艺的性能的方法已能得到加强。例如，对结构层腐蚀孔设计规则的仔细选择和遵守允许使腐蚀液可以局部接触牺牲层，减少了彻底释放牺牲层所需的时间。可以选择合适的牺牲层以增加腐蚀速率，如快速腐蚀双层结构，在热氧化层上重掺杂淀积的氧化层等。一般的湿法腐蚀特别是牺牲层腐蚀需要考虑晶圆背面以便任何沉积的薄膜保持不变，不要在牺牲腐蚀过程中剥落。8.2.5衬底减薄荷去除湿法腐蚀常用于减薄或选择性去除衬底材料（图8.8），主要原因是湿法腐蚀可以大量腐蚀材料，液体腐蚀溶液中浓度很高的反应物远比低压等离子刻蚀系统中的反应物多。均匀的衬底去除和减薄一般由带有化学腐蚀液的物理研磨机制实现，即化学机械过程快速地去除圆片正面或背面的材料。掩膜图案，如孔，通孔，沟槽，通道和各向异性腐蚀的薄膜等。圆片减薄或衬底腐蚀通常安排在工艺流程的最后，因为圆片随着减薄越来越易碎，并且嵌入的成本越来越高。图8.8湿法化学腐蚀能用于（a）减薄，（b）从背面选择性腐蚀，或（c）从正面选择性腐蚀。化学机械抛光或平整化（CMP）将化学腐蚀和机械研磨结合在一起均匀地减薄背面或平整化正面。各向异性腐蚀的薄膜的掩膜图形，圆片通孔和过孔，或顶部的槽或通道需要合适的腐蚀掩膜，可能是湿法腐蚀也可能是干法刻蚀。圆片变得越来越易碎，在后续的操作或切割芯片时要特别小心。8.2.6工艺方案的影响湿法腐蚀类型的选择对工艺方案有直接的影响。正如图8.9所示，工艺流程一般总结成一系列的光刻次序，每一个包含一个淀积步，一个光刻步，和一个腐蚀步骤。尽管淀积步清晰地由溅射、电子束蒸发、化学气相淀积、或等离子淀积薄膜组成，但热氧化、离子注入或起始材料的获取也包含在此类中。采用光刻版的光刻胶光刻或直写设备对大部分不管是干法还是湿法腐蚀工艺提供了合适的掩膜。尽管硬掩膜也是用光刻胶光刻工艺制作的，但其可以根据需要获得更好的抗腐蚀能力。在认真审核所选的腐蚀工艺的顺序和类型时，必须考虑到每一次光刻序列要确保在工艺的早期不要包含非标准材料；避免那些来自腐蚀槽、承片夹或腐蚀液本身的污染；仅在关键的加工工艺完成后才使用受限制的通风柜或其他湿法腐蚀装置；掩膜材料限定在光刻胶、标准氧化层、多晶硅和用作硬掩膜的金属层；当污染必须考虑时，结构层限定在标准材料；腐蚀完成后掩膜材料要容易去除；所选薄膜厚度必须与后续加工工艺包括光刻胶覆盖等兼容；薄膜腐蚀掉后的台阶覆盖处不能有残留的细条或颗粒；不能在总流程中太早产生易碎结构导致圆片操作困难。所有这些说明，聪明的器件设计者和工艺工程师经常共同工作，在实现有成本效益的且技术可行的设计和产品目标方面找到平衡。图8.9除有例外，适用于集成电路，微/纳机电系统，或集成微/纳机电系统器件的流程可以简化成一系列的掩膜光刻序列，每个序列包含沉积步骤，光刻步骤，和腐蚀步骤。复杂的CMOS和BiCMOS工艺可能有两打或更多掩膜序列，然而许多仅针对微机械的工艺系统流程掩膜数少于五。每个掩膜光刻序列受前序列影响，并影响到后续的序列。每个序列的顺序和选择往往是器件设计的一部分。为了达到预期的效果，流程步骤或设计可以调整。腐蚀序列和其相关的掩膜层和材料层的执行顺序的选择必须考虑许多问题，包括污染，薄膜厚度局限性，正面和背面加工要求，和衬底操作等。8.2.7湿法腐蚀工艺的开发当考虑一个新的湿法腐蚀工艺的开发时：如果有可能则尽量避免这样做。一个新的腐蚀工艺可能涉及建立新的设施，安装新设备，设立新的化学处理和安全规程，获得购买准证，决定化学品贮存和废弃处理，建立培训章程，执行操作人员的培训，提供系统维护，对某些昂贵的圆片有时要花大量的测试时间。修改一个现有的腐蚀工艺，或最好直接利用现有的腐蚀工艺，是一个高度推荐的替代方案。在许多已建立的实验室或加工中心，拥有大量基于光刻胶和硬掩膜的工艺与材料是可以被使用或修改的。硬掩膜有时是必要的，然而，尽可能使用光刻胶掩模是最好的考虑方案。如果需要一个新的腐蚀液或需要修改一个现有的湿法腐蚀工艺，有关腐蚀工艺和安全考虑的指导准则可从各种信息源头获得，这些信息源包括手册，用户指导，设备手册，制造商的推荐，腐蚀剂供应商，光刻胶制造商，网络，大学网站，出版物，和从有经验的用户或工艺专家得到的专业知识等。为了建立拥有合适的服务、充足的通风、适当的废弃物处理和受控应用的腐蚀实施，大量的努力是必须的。在加工中心可能需要几个腐蚀操作台，以适应不同用户和不同工序流程的需求。这个加工中心应提供护目镜，口罩，围裙，在泄漏情况下装备安全程序和化学品处理的泄漏车。无尘化学处理工作台上配备合适的烧杯，大容器，支架和片盒等用于控制污染的专用实验室器皿。尽管其他材料也可以充当室温下的腐蚀液装载物，PFA（可溶性聚四氟乙烯）、PTFE（聚四氟乙烯）或石英制实验室器皿一般都是最好的选择。虽然希望在室温下开展腐蚀加工，但也可在加热的容器中或在电热板上的烧杯中的开展腐蚀工艺。湿法腐蚀工艺的开发一般需要消耗大量的晶圆去获得腐蚀材料层和潜在掩膜层的腐蚀速率，以确定在大量晶圆中对其他材料的选择性，并开展对腐蚀浓度的变化，溶液的温度，和其他变量的敏感性研究。相比溶液，湿法腐蚀液需要的冲洗量可能需要考核定型。一个流程的传递文稿和操作程序应当被定稿和存档。湿法腐蚀的光敏特性应受到检查，可能需要在一个有盖容器中操作。可能需要适当搅拌以提高腐蚀均匀性。充分去除光刻胶和硬掩膜的工艺必须得到验证。如表8.2所列，各种测试设备可以辅助湿法腐蚀的开发和监测。虽然人类裸眼一般不适合鉴别微小光刻图形之间的薄膜是否腐蚀干净，但训练过的裸眼可以有效地看到许多类似闪亮的金属薄膜的腐蚀是否完成。通过临时取出腐蚀液中的晶圆，操作者可以简单地看到在晶圆的正面或背面大量明显的特征，观察到在晶圆上的干涉条纹、颜色或光泽变化，以确定腐蚀是否完成。临时取出腐蚀的晶圆可观察到疏水性的变化。然而，过于频繁地取出晶圆检查可能会减缓腐蚀，并在某些情况下由于晶圆被暴露在空气中时可能出现的表面反应导致腐蚀停止。表8.2用于湿法腐蚀工艺开发的测试设备设备优点缺点1肉眼在腐蚀期间可快速检测使腐蚀减慢没有中间的清洗和干燥步骤许多薄膜不适用允许腐蚀延续很难区分不完全腐蚀的进展提供即时验证需要更大面积的特征进行检查从腐蚀干净开始可以计时过刻需要手工操作采用测试片验证好难以观测小图案2显微镜容易使用每次检查前需要清洗和干燥金属薄膜和高视觉对比薄膜检查效果好透明薄膜是难以评估可以检测小的图案难以检查非常精细的图案3带有深度测量的显微镜深腐蚀检测效果好视场深度限制导致有限的分辨率大多数显微镜可以升级不适用于透明层4椭偏仪非接触式难以检测小的图形提供的折射率和厚度不适合金属薄膜以及多层膜的适用性有限5光学薄膜厚度光谱反射计非接触式检查前需要清洗和干燥可重复的定量度量不适合金属薄膜适用于结构测试多层膜的适用性有限提供的折射率和厚度6光学干涉测量的表面形貌仪非接触式检查前需要清洗和干燥宽范围的3-D台阶高度不适合透明薄膜适用于测试结构7机械表面轮廓仪相对较低的成本由于探针接触，污染问题需要重视使用光刻图形要求光刻出图案8深度计，机械式低成本中等精度可回零到晶片参考面需要大的图形尺寸9扫描电镜高分辨率需要晶圆碎片或断面特征破坏性10FIB/扫描电镜精度高要求光刻图形原位断面检测破坏性11EDS，STEM，光电子能谱，扫描俄歇提供化学分析难以检测小图形破坏性12原子力显微镜提供表面结构和小台阶高度有物理接触样品区域小虽然受显微镜观察限制难以确定不完全腐蚀膜的腐蚀速率，但通过光学显微镜观察晶圆，对许多薄膜来说有助于确定光刻图形区的腐蚀是否完成。用高质量显微镜对准衬底表面和腐蚀区域的底部，然后计算显微镜机械表盘下的读数得到高度差，通常可以用于确定深腐蚀深度。为了提高精度，显微镜Z形平移台上可以配备干涉仪读取器以确定表面焦点之间的距离从而确定腐蚀深度和腐蚀速率。椭偏仪可以有效地用于确定单层和一些多层堆叠的薄膜厚度与腐蚀速率。一种垂直的非接触式小光斑尺寸光谱仪（例如，NanoSpec[34]）是确定大多数透明和半透明薄膜腐蚀速率的一个有价值的工具。尽管需要用于接触表面的探针可能存在污染问题，机械表面轮廓仪（例如，Alpha-Step[35]或Dektak[36]）在观察金属或其它薄膜的腐蚀过程中很有用。机械下垂或深度计（例如Mitutoyo[37]可用于测量大尺寸、深腐蚀结构，如各向异性腐蚀膜。胶带，光刻胶笔画出的线条，或一滴用来涂在待腐蚀薄膜上的光刻胶的应用，有时可以提供合适的特征以确定薄膜厚度以及薄膜腐蚀后的腐蚀速率，尽管特征图形边缘往往线条较差难以提供足够清晰的边缘。边缘清晰度的改进，可以用测试或器件掩膜版对测试片或正片进行光刻腐蚀得到。用于深度测量和腐蚀验证的专用结构可以放在测试和器件晶圆上，强烈推荐在工艺开发、质量检验和检测上使用。分析仪器，如扫描电子显微镜（SEM）偶尔用于确定腐蚀速率，但是，它需要横截面特征并且一般具有破坏性。腐蚀的的剖面形貌可以通过跨晶圆上腐蚀孔位置进行裂开，然后在SEM下查看和测量腐蚀深度后确定。更新的聚焦离子束和扫描电子显微镜（FIB/SEM）仪器可以在同一个小腔中进行横截面检查。虽然通常需要大的、未光刻的测量尺寸，但XPS和其他化学分析技术也可以用来确定一些材料配置的腐蚀速率。8.2.8其他考虑和替代品湿法腐蚀工艺，特别是每次使用都需要新配置的工艺很容易产生一定的困难，如错误的混合腐蚀剂，采用了不能用的晶圆支架，暂时不可用的服务，和破碎的实验器皿等。尽管可以新建这个工序以避免这些问题，但这通常需要使用者负责去确保腐蚀工艺成功地进行。以下两个原则有助于避免无意间发生的问题：在正式进行批量工艺加工前先做一个试验晶圆或晶圆批中的一小部分，并确保测试结构都位于晶圆或器件上，使腐蚀工艺能立即被证实。对于那些受到一定限制的工艺单元，如湿法腐蚀，表8.3中提供了一些替代方案。商业代工厂可能完成整个工序流程的加工，它的做法是让用户先提交一个设计方案，然后按照方案代工完成晶圆，再将晶圆或封装好的部分返还给用户。商业代工厂有时可以提供定制流程或改变部分工艺，尽管可能会需要为一些一次性的工程成本进行额外的谈判和付费。有些代工厂会以固定成本执行标准工艺单元如薄膜沉积、光刻和湿法/干法刻蚀，然而定制工艺单元会产生的一些开发成本。工业实验室提供有吸引力的开发工艺和有限的原始生产。大学的设施，如美国国家纳米加工基础设施网络（NNIN）的成员，可以让在每个设施的合格学生和工业用户使用，或者远程用户通过工作人员或当地顾问来执行所需的服务也是一种易于接受的选择[38]。一些大学的设施鼓励工业员工在收费的基础上在现场工作。在大学的加工设施中，学生和教职员工可以设计器件、开发工艺并在适当的监督下进行研究。政府实验室和政府资助的项目也可以满足用户的要求。贸易团体，网络和交易所[39]针对设计服务、工艺单元或由代工厂和实验室为基础的完整制造工艺流程而设置的连接用户需要的中心正在出现。表8.3湿法腐蚀方案的一般性比较设施模式优点缺点商业代工厂标准工艺流程固定的工艺易设计的修正明确的开始时间可靠的完成时间固定的价格转向生产支付所用很少或者没有工艺修正对于少量的晶片或器件代价昂贵工艺知识产权属于代工厂需要完整的工艺流程定制工艺流程专用的流程固有的面向生产未知的开发成本标准工艺单元更低的成本合格的工序在多个设施上完成工作定制的工艺单元外包开发工艺单元级的资质更高的开发成本更高的单元工艺成本工业实验室技术员或操作员快速处理内部专业允许低速的原始生产人员集中资本集中维护费用高受限的转向生产工程开发革新的工艺先进材料自创知识产权人员集中资本集中维修费用高需要工艺转让大学设施工业用户新器件，新工艺自主知识产权最少的基础设施嵌入式工程师或技术员建好的设施人员直接操作非常快试验和器件同时进行需要工作人员承诺成本预算当地顾问建好的设施有经验的人员可快速技术转让援助外部支出花费有限的知识产权的控制学生/教师建好的设施新设备，新工艺经验丰富的导师内部知识产权需要培训耗时设备支持设备停机远程用户建好的设施有经验的人员灵活的工艺和材料可能较慢没有产品外部支出花费政府实验室内部用户好的捐赠的设施固定或定制的工艺内部知识产权可变的资助远程用户好的捐赠的设施固定或定制的工艺高成本受限制的生产能力8.3湿法腐蚀设施和工艺的评估和开发对于半导体和微机电系统/纳机电系统器件加工来说，湿法腐蚀工艺面临从一般到其他方面都有的关注：设施，设备，服务，晶圆操作，安全过程以及培训。由于腐蚀性和有潜在的有害液体的存在，以及需要控制其来源，使用以及处置，还需一些其他的考虑。不论湿法腐蚀工艺是内部开发还是由外部服务提供，以上的关注和考虑都需要被评估。8.3.1设施要求湿法腐蚀对于设施，维护以及运行人员有着一定的要求。一个典型的设施也许是由很多个实验室组成的：一个实验室致力于高洁净的集成电路加工；第二个实验室致力于CMOS兼容微机电系统和相关的半导体器件加工；一个一般的实验室致力于探索和开发非标准器件和工艺。另一个设施也许会指定特殊的区域进行标准（比如硅）集成电路和高洁净的微机电加工，指定其他的区域用于化合物半导体及金兼容性工艺。第三个设施也许会用化工罩在洁净室内将湿法化学处理分开来，其中一些特殊的化工罩被用在如下处理：氧化物的腐蚀和光刻胶剥离，氮化物的腐蚀和光刻胶剥离，铝的腐蚀和光刻胶剥离，进炉前的晶圆清洗（非金属），非黄金的金属刻蚀，各向异性腐蚀晶圆，化合物半导体腐蚀，一般性腐蚀（包括黄金），和溶剂加工。还有其他的设施也许除了对于只使用预先准备的化学品和材料有限制，对于各类在洁净室通风柜内的加工是没有任何限制的。对于集成电路，微机电系统，纳机电系统的湿法化学腐蚀工艺的一些特殊要求用简短的描述列出如下。一般设施更衣室-配备实验室大衣，连身衣，工作服，蓬松帽，排风罩，面部保护，防护眼镜，护目镜，乳胶和乙烯手套，鞋子化学品储存-有小窗口的储藏柜用于提供新的腐蚀剂，贮存部分的空瓶，正在使用的化工品标签，以及材料安全数据表化学品处置-临时储存有可识别化学品标签和瓶子内容的空瓶子和使用中的瓶子；存放重金属腐蚀剂（如金腐蚀剂）的容器的局部处置洁净室隔间-根据功能和局部或者实验室范围空气过滤和调节的洁净度控制而成立。局部或者实验室范围空气过滤和调节按颗粒计数分级：10000级（一般更衣区域），1000级（清洁封装区），100级（一般加工区），10级（光刻以及晶片清洁区域）以及其他更好的级别。湿法腐蚀台-有着用于清洁处理，半清洁处理，对于污染控制的一般处理的带通风柜的一个或者多个工作台。酸中和系统-在排放之前从沉淀物和通风柜中收集，中和酸和碱废弃物（不是氢氟酸）的自动化系统。烟气洗涤器-用水稀释的从排气罩排出的有害气体的系统。测试台-含有用于验证工艺步骤并完成器件初步检测的测试和表征仪器。设备报警器-气体，化学物质，酸/碱中和，烟雾，火灾探测，频闪报警。紧急出口-为了快速的离开实验室的一个或者多个紧急出口。湿法操作台服务电力为灯，通风，报警器，热板，搅拌器，温度控制器，计时器，湿法操作台所需的螺线管提供足够的电力。供水用合适的水龙头，抽头，喷雾器提供去离子水。排水系统为氢氟酸排出以及酸/碱中和排出提供独立的系统。氮气给软管和氮气枪提供压缩空气供给气动执行器排烟为湿法工作台和用户的安全提供的适当的排出烟雾以及外部通风紧急报警器用于实验室警报的附近的按钮开关扩声系统和电话用于播报实验室通知的附近的公共广播系统湿法操作台设备有通风罩的湿法操作台用于酸的阻燃聚氯乙烯和聚丙烯[33]制成的湿法操作台和用于溶剂的不锈钢操作台；适当的排气和仪表；可选的层流和局部高效过滤；可选择的深沟腐蚀槽；曲颈去离子水水龙头，工业水室。刻蚀槽盛装酸的四氟乙烯，聚四氟乙烯，或者石英槽；盛装大多数溶剂用不锈钢或者聚丙烯酸制成的罐子；盖子。热板带有温度控制的热板集成到腐蚀槽或者水槽上；可放在通风罩表面；可选的搅拌器。冲洗水箱用于装酸的四氟乙烯，聚丙烯酸或聚四氟乙烯制成的水箱；用于大多数溶剂的不锈钢或者聚丙烯酸制品；晶圆倾倒冲洗或者级联清洗槽。定时器和控制器-一般做在湿法操作台上。喷嘴去离子水和过滤排污氮枪喷头。笔单个晶圆移动的真空笔。抽吸泵将酸/碱送到酸中和系统的有开关的软管和喷嘴。旋转冲洗干燥机有可以装晶圆盒的腔；用离子水喷涂下低速旋转以及烘干晶片用热氮保护下高速旋转；一般放在接近湿法操作台的地方。实验室设备彩色编码或有标记的四氟乙烯，聚丙烯或聚四氟乙烯盒子，盒子手柄，烧杯，量桶，石英或者四氟乙烯，搅拌器，温度计，专用夹具。湿巾擦掉无尘洁净室的液滴，小的溢出以及吹干晶片。工作台空间为安全的转移晶片留有足够的空间。地面空间为操作者提供足够的空间，并且有额外的过道空间以作为安全通道。化学品车运输化学品瓶子的桶或者轮式车。固体废物处置盛装固体废物的篓子，比如弄脏的洁净室的湿巾；对于溶剂或者光刻胶废料，可以覆盖或者抽风；对于湿的洁净室擦拭废物可以用有拉链的袋子；对于破碎的衬底或实验室容器可以用专用的容器。广口瓶为了收集废弃溶剂的聚丙烯罐。安全个人防护护目镜，面罩，化学用品专用手套，围裙。操作手册在湿法操作台附近可得到安全程序在湿法操作台附近可得到电话对于主要的紧急情况有电话号码，对于小的事件，有工作人员的联系方式。紧急警报警告实验室工作人员和应急反应小组。紧急冲洗即使在熄灯的情况下，进入内部就可用。紧急洗眼即使在熄灯的情况下，到达就可以使用。急救包包括装有葡萄糖酸凝胶的管子，用于接触了氢氟酸的情况。喷洒车有控制和处理化学泄露的紧急设备的车。材料和化学品化学品储存，使用，处理，以及为了减小污染风险和保证安全的化学控制的操作规程。当建立新的设施或者决定使用哪种设施用于湿法化学腐蚀的时候，通常建议在同一种设施里面完成所有的工艺。其他比较重要的考虑是光学光刻和电子束光刻的要求；扩散炉操作；淀积和材料生长工艺；湿法和干法刻蚀的能力；以及检查，测试，表征需要。在大多数工艺流程中湿法腐蚀和湿法处理都是比较重要的。因为大多数的器件或者项目要求在湿法腐蚀之后进行一些工艺加工，因此所有工艺的整合以及晶圆在各个步骤之间的转移需要认真的考虑。8.3.2圆片操作考虑湿法腐蚀的开发与进行需要考虑到圆片操作。对于小片的晶片，一对聚四氟乙烯涂层的金属或者塑料镊子，或者聚氟乙烯的篮子也许就足够了。单个圆片可以放置在四氟乙烯或者聚四氟乙烯的棒棒糖形状的有柄的器皿中。多个圆片可以使用有多个插槽的石英硅片容器，标准的聚丙烯硅片盒或者专门的聚四氟乙烯盒中。带有导管的聚醚酮，四氟乙烯，聚酰亚胺，聚四氟乙烯，或者石英尖端的真空棒可以用于传递和吹干晶圆。鼓励采用重力或者推压式的盒到盒传递晶圆以避免每个晶圆的直接操作。好的操作过程应该防止晶圆间的相互接触以及最小程度的减小接触任何用具。每一个圆片操作工具一般都分配给特定的湿法操作台并且只限制于那个地方。可能给湿法操作台处理衬底的类型有强加的限制，比如说在一个通风柜内是硅衬底，另一个通风柜中是化合物半导体衬底。再举例说，湿法操作台也许为了需要极度洁净的工艺所建立。这些工艺有进扩散炉前或外延生长前的圆片清洗，氧化腐蚀和去除光刻胶，氮化硅刻蚀，标准金属刻蚀，非标准的金属或者常规刻蚀，镀金工艺，硅的各向异性腐蚀，砷化镓工艺，酸腐蚀，衬底处理工艺，溶剂处理以及特别处理。在一些限定的设施里，一个或者两个湿法操作台就足够了：酸/基础/碱和溶剂，或者酸和基础/溶剂。衬底的工艺历史会进一步限制其获得湿法操作台使用的可能性。例如，一个加工设施的操作规程可能限制从任何湿法操作台或专用设备上处理过的一个圆片传送用于进炉前得洁净处理槽中。湿法腐蚀操作应该保证所有圆片，器皿，腐蚀剂的传输是无障碍的以防止圆片的损坏以及为操作员提供安全。对于用氮枪手工干燥的圆片的规定是应该保证一个远离用户的开放的，没有障碍的工作区域以便用户可以向下拿着圆片并且远离用户的脸。为了避免不慎的损害，圆片的检查应该做最小的移动和传输。圆片应该任何时候总是与台面表面保持足够的接近以尽可能减少破损。另外，原片沿着通道传递到旋转冲洗干燥机或到另一个工作台应当采用保护盒以避免损坏。8.3.3安全问题湿法腐蚀工艺有暴露在外的液体。这些液体本质上也许是有腐蚀性的并且对于用户有着潜在性的危害。在实验的过程中一定要总是保持警惕。否则，用户在从盛装腐蚀剂瓶子开启时到最后漂洗和丢弃腐蚀剂的任何时候都会不慎接触到腐蚀剂而受到伤害。在建立或者使用湿法腐蚀工艺的时候，特别要注意观察。在湿法腐蚀的时候，将有一个标准的公共意义的有益预防，如提醒操作者避免自己的衣服被湿台上的残留硫酸烧孔，带上来自清洗管的带有盐酸/硝酸烟雾过滤的一个全遮挡的的面罩，小心浓氢氟酸干雾，或者小心观察来自过热的热板上的联氨蒸汽云等。在进行湿法腐蚀中操作者的安全是至关重要的。如果用户不能安全，那么该湿法工艺是不适合的且不能使用。对于每一个腐蚀工序，都应该写下安全教程并教给使用者，详细解释清楚每一个器皿和移动方法，包括混合腐蚀剂的顺序，操作温度，应该使用的器皿，腐蚀剂的储存或者处理，冲洗液体等。接触化学腐蚀剂可引起灼伤，皮疹，眼损伤，肺的问题以及一些慢性健康问题。在湿法操作台的电会引起休克危害。如果碎玻璃和晶圆没有适当处置的话，他们会割伤操作者以及那些无意接触锋利的边缘的人员。操作员必须知道在泄露，破损或者意外事件的情况下做什么、去哪里，给谁打电话，以及怎样清洁或者如何得到帮助。在任何时候使用者和腐蚀剂间至少有一层如透明的护盾那样的保护层，这样可以防止用户被溅出的液体或者喷洒出的热腐蚀剂损伤。一个实用的提醒如下：用户应该总是穿有一个保护性的衣服以及戴防护眼镜。因为当事故发生时，再进行任何的预防步骤肯定来不及。有经验的用户会在保护圆片的同时小心地从设备上的台阶下来，并平稳的向预期的实验室过道移动。8.3.4培训操作者和用户的培训是成功安全地完成湿法腐蚀工艺的需要。由有经验的用户，所写培训材料和包含所有有关操作和注意事项的多媒体材料组成培训最好。在最少一个腐蚀工艺中，培训师应当认真监督一个新用户。其他实验室用户应当仔细观察有经验用户的操作，如果某个疏忽发生或没有适当的预防应当友好地纠正。培训范围要覆盖设备操作、腐蚀液准备、腐蚀液处置、圆片操作、腐蚀步骤、漂洗和甩干步骤、和清洁步骤。安全方面包括紧急洗眼处、化学冲洗室、紧急出口、喷洒车、广播系统、电话的位置。紧急号码张贴处和联系信息也应当告知未来的用户。8.4IC-兼容材料和湿法腐蚀IC-兼容材料包括那些用于集成电路加工中的标准工艺中使用的材料。从历史上看，大部分MEMS器件是从半导体加工设施中的前代设备上开发完成的。当能处理更大晶圆和具有更小特征尺寸的新一代加工设备实现时，这些半导体公司大方地将他们完全或部分折旧的设备赠送许多学术研究机构。所赠设备很重要的部分用于大学实验室建立基于4英寸(100mm)晶圆的双极，P沟道，N沟道，和CMOS工艺，以满足电路设计和工艺技术专业学生的教研需要。实验室的试验线建设遵守清洁原则、微尘控制，并避免那些减少载流子寿命、击穿电压、和影响双极MOS电路的阈值电压的污染。我们有充分理由相信来自金属（例如钠）的交叉污染会影响集成电路的性能，导致时漂。因此，电子级的湿法腐蚀液需要有极低含量的钠、微量浓度的金属（如铅、铁、铜、镍）和掺杂物（如磷、砷）[40]。基于上述考虑，下面有关腐蚀工艺部分将所涉及的材料区分为IC兼容材料（将作为标准材料提及）和非标准材料，以将金属从绝缘材料和半导体材料中区分出来。8.4.1氧化物和绝缘体的刻蚀每个MEMS和IC加工工艺中至少进行一次甚至多次二氧化硅刻蚀。对需要精细线条的半导体工艺来说，一般用干法刻蚀氧化硅，然而，MEMS工艺往往采用湿法腐蚀氧化硅，用于腐蚀大量不重要的结构，引线孔，和横向过腐蚀以去除牺牲层。二氧化硅，通常被简称为氧化物，在室温下能被氢氟酸与水的混合物良好腐蚀。氢氟酸和其反应生成可溶于水的H2SiF6和水[41]。可以使用缓冲剂，如氟化铵，来调节腐蚀剂中HF2离子浓度，并在长时间使用时保持均匀的刻蚀速率[42]。加入乙酸和乙二醇的氟化氨腐蚀剂用来腐蚀沉积在金属层上的氧化物钝化层，可以减少对金属（比如铝）的腐蚀[43]。氧化硅腐蚀速率受腐蚀剂的浓度影响很大。尽管常温腐蚀效果显著，但是温度可控的腐蚀槽能更适合对时间要求严格的腐蚀，并提供更恒定的腐蚀速率。搅拌对基于氢氟酸的腐蚀溶液有轻微影响，虽然搅拌能改变压焊区专用腐蚀液对钝化氧化物的有效腐蚀速率。用去离子水冲洗五周期能充分终止腐蚀，并冲洗掉晶圆表面的腐蚀剂。测试或监控冲洗液的PH值和电阻率以确保适当的清洗时间和速率。干燥往往用商用旋转冲淋烘干器实现，该烘干器在喷射清洗后用加热的氮气和高速旋转来脱水干燥。虽然氟化氨腐蚀剂一般能将要腐蚀的膜腐蚀干净，但暗场光刻胶表面的小腐蚀图形特征一般难以在HF溶液中腐蚀，因为有图案的区域或抗腐蚀的硅酸盐构成的氧化物表层中夹有空气，它们对腐蚀剂起着空气屏蔽作用。氧化腐蚀速率与氧化物沉积过程密切相关。硅热生长氧化层腐蚀最慢，相反，不致密、未退火的低温沉积氧化物腐蚀非常快。膜中大量的硼或磷杂质能提高腐蚀速率，这对那些需要快速钻蚀以释放独立微结构是有吸引力的。硼较少（<17%摩尔百分数）的时候腐蚀速率下降[27]。离子注入造成的氧化物损坏也会增加腐蚀速率。相反，高温退火会增加沉积膜的密度，使其腐蚀速率降低到接近热生长氧化物的腐蚀速率。大量的氧化物能被HF溶液或HF缓冲溶液腐蚀，这些腐蚀剂在保存或使用中都有较长的存贮寿命。玻璃，Pyrex硼硅酸耐热玻璃和石英能被HF溶液腐蚀，因此，它们作为腐蚀烧杯或晶圆固定夹使用的场合需注意。但是耐酸材料，如聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE），聚四氟乙烯(PTFEorTeflon)和聚偏二氟乙烯（PVDF）[27]做的烧杯或支架更普遍。除了用于高浓度的无缓冲氢氟酸溶液中，光刻胶通常是很好的掩膜，多晶硅，偶尔也用氮化硅做氧化腐蚀表层的掩膜。一个专用的化学清洗槽一般由几部分构成，例如，一个用来盛HF缓冲溶液的腐蚀槽，一个盛放高浓度HF溶液（49%）的腐蚀槽和光刻胶去胶用的用具等。二氧化硅湿法腐蚀总结和注意事项见表8.4所列。常见的二氧化硅腐蚀剂的腐蚀速率见表8.5。本章中HF缓冲溶液(BHF)腐蚀剂是指氢氟酸、氟化氨和水的混合溶液，而非另一个常用的氧化腐蚀缓冲剂（BOE），因为BHF用于腐蚀非二氧化硅材料。按体积比向水中掺入浓缩的盐酸之后就可以得到稀释的盐酸腐蚀剂（DHF）。 表8.4氧化物湿法腐蚀敏感度对腐蚀速率变量的影响 腐蚀剂 备注1腐蚀剂浓度高 基于HF,BHF,或 较高的酸浓度会增快腐蚀速率 NH4F的溶液 用水稀释降低腐蚀速率2缓冲一般 BHF NH4F做为HF溶液腐蚀剂的缓冲液， 使刻蚀速率均匀3温度一般 HF,BHF,NH4F温度升高可以提高腐蚀速率4搅拌无影响到一般 HF,BHF,NH4F 搅拌对氢氟酸腐蚀率有轻度影响； (对有小图形特征的刻蚀有帮助作用); 搅拌能提高以NH4F为基础的溶液刻蚀速率5漂洗夜无HF,BHF,NH4F 使用大量去离子水;喷射，倾倒，冲刷，溢出或稀释清洗6干燥无HF,BHF,NH4F 用旋转-喷淋-甩干或氮气吹干7特征尺寸无影响到一般HF,BHF,NH4F 小特征尺寸在在基于HF的溶液中难以刻蚀，因为光刻胶表面的盐层或气塞现象，在基于NH4F的溶液中有所改善8氧化物高HF,BHF,NH4F 通常热生长氧化物腐蚀速率最低；沉积温度沉积技术较低的氧化物腐蚀较快，退火少，膜密度低9氧化物掺杂量一般HF,BHF,NH4F 掺有杂质的氧化物，如掺有硼或磷或两者都掺一般会提高腐蚀速率10退火低到适中HF,BHF,NH4F 退火会降低低温氧化物或其他沉积氧化物刻蚀速率；对热氧化物的刻蚀速率影响最小11刻蚀消耗低HF,BHF,NH4F HF和BHF腐蚀溶液腐蚀损耗很小12保质期一般至长期HF,BHF,NH4F HF和BHF腐蚀溶液可保质数月13腐蚀烧杯和支架无HF,BHF,NH4F 避免用石英,Pyrex玻璃，玻璃，或 金属烧杯、支架14腐蚀掩膜无HF,BHF,NH4F 常用光刻胶；多晶硅或氮化硅更有效表8.5二氧化硅腐蚀剂和腐蚀工艺腐蚀速率原料(Å/s)腐蚀剂备注及参考1二氧化硅(SiO2),不明HCl(38%):HF(49%):H2O室温；硼磷硅玻璃腐蚀剂；热氧化物的腐蚀小;淀积的硼磷硅玻璃10:1:10去离子水漂洗[45]2二氧化硅(SiO2),11HF(49%)20oC蒸汽,HF蒸汽腐蚀剂；大气压;刻蚀剂上方1cm处；热生长蒸汽 掩膜用Si(多晶),Si3N4(65:1),Si3N4(低压)(35:1)；用光刻胶做掩膜会脱落;腐蚀Pyrex玻璃,石英,二氧化硅(低温氧化物)(13Å/s), SiO2(磷硅玻璃)(35Å/s),SiO2(磷硅玻璃,退火)(25Å/s);不明显腐蚀Au，Cr，Ni，聚酰亚胺、Pt、蓝宝石、Si、Si（多晶）、W；能使Al、Cu、Ti变粗糙；将圆片每15秒钟从蒸汽上移开，避免蒸汽圆片表面表面冷凝；加热圆片提高腐蚀速率，提高对沉积氧化物和热生长氧化物的选择性[27,28,46]3二氧化硅(SiO2),13–35HF(49%)20oC蒸汽;HF蒸汽腐蚀剂;大气压;未掺杂退火薄膜的腐蚀速度为13Å/s，掺杂 未退火的薄膜为35Å/sLPCVDLTO蒸汽掺杂质的非退火薄膜范围高;和PSG 参见同一腐蚀剂对热氧化硅的备注[27] 4二氧化硅(SiO2),220HF(49%)室温;HF腐蚀剂(49%重量百分比);去离子水漂洗[47,48]热生长未稀释5二氧化硅(SiO2),1100-1900HF(49%)室温;PSG腐蚀剂;退火的SiO2(PSG),3–5%(重量百分比);去离子水漂洗[47]淀积的PSG未稀释6二氧化硅(SiO2),380HF(49%)20oC;HF腐蚀剂(49%重量百分比);光刻胶掩膜能用于短时腐蚀;当H2O和HF(49%)比率高于3:1时，光刻胶会脱落或破裂[49]；热生长未稀释用厚度大于4000埃的Si(多晶)[50],Si3N4(160:1),Si3N4(低压)(440:1),W(460:1)做掩膜；刻蚀铝、钛;去离子水漂洗[27]Table8.5(续)刻蚀速率原料(Å/s)刻蚀剂备注及参考文献7二氧化硅(SiO2),230–600HF(49%) 20oC;氢氟酸腐蚀液(49重量比);未掺杂退火膜腐蚀速率低，掺杂未退火膜腐蚀沉积未稀释速率高;参见同一腐蚀液对热生长氧化物作用的备注[27]8二氧化硅(SiO2),4HF(49%):H2O20oC;稀氢氟酸腐蚀液(10:1);掩膜用光刻胶，Si(多晶),热生长1:10Si3N4(20:1),Si3N4(低压)(75:1),W(>200:1);刻蚀AlSi(2%)(40Å/s),Ti(180Å/s),TiW(1Å/s);去离子水漂洗[27]9二氧化硅(SiO2),5–250HF(49%):H2O20oC;稀氢氟酸腐蚀剂(10:1);未掺杂退火膜腐蚀速率低，掺杂未退火膜腐蚀沉积1:10速率高;参见同一腐蚀液对热生长氧化物作用的备注[27]10二氧化硅(SiO2),1HF(49%):H2O室温;稀氢氟酸腐蚀剂(50:1);用光刻胶,Si(多晶),Si3N4(>5:1),热生长1:50Si3N4(低压)(>5:1)做掩膜;去离子水漂洗[51]11二氧化硅(SiO2),1–10HF(49%):H2O室温;稀氢氟酸腐蚀剂(50:1);l未掺杂退火膜腐蚀速率低，掺杂未退火膜腐蚀沉积1:50速率高;参见同一腐蚀液对热生长氧化物作用的备注[27]12二氧化硅(SiO2),0.4HF(49%):H2O室温;稀氢氟酸腐蚀液(100:1);去离子水漂洗[52]热生长1:10013二氧化硅(SiO2),5HF(49%):HNO3(70%):H2O室温;R-腐蚀液;硼硅玻璃腐蚀剂;优先