硅各向异性腐蚀技术研究

李 倩，崔 鑫，李湘君

(中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110032)

1 前言

湿法腐蚀是微传感器制造工艺中常用的MEMS后处理工艺，利用Si在KOH、TMAH等碱性溶液中的各向异性腐蚀特性实现传感器的腔、槽、台面等结构。但是在进行Si(100)台面腐蚀时，由于硅的各向异性腐蚀特性，凸角处严重出现切削现象因而导致器件性能改变。

2 各向异性湿法腐蚀技术

硅的各向异性腐蚀，是指腐蚀液对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率［1］，基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种微结构。单晶硅片在其不同方向上对某些腐蚀液具有各向异性，常用的有R(100)＞R(110)＞ R(111)［2］。在制造硅杯或台面等结构时，常选用(100)面。

2.1 单晶硅湿法异向腐蚀原理

单晶硅在有机腐蚀剂和无机腐蚀剂中具有非常类似的腐蚀现象，由此可推出OH－离子是此反应的主要参与者。

早在1967年，Finne和Klein就根据对反应产物以及在反应过程中放出的H2与Si的近似化学计量比的分析，第一次提出了由OH－，H2O与硅反应的各向异性腐蚀反应过程的氧化还原方程式:

2.2 单晶硅湿法异向腐蚀常用腐蚀剂

各向异性腐蚀剂一般分为两类，一类是有机腐蚀剂，包括 EPW(乙二胺，邻苯二酚和水)、TMAH(四甲基氢氧化铵)等，另一类是无机腐蚀剂，包括KOH、NaOH和NH4OH等，这两类腐蚀剂具有非常类似的腐蚀现象。现在比较常用的腐蚀液是KOH和TMAH腐蚀液［3］。本次实验所用腐蚀液为浓度39%的KOH。

3 凸角补偿

在KOH腐蚀液中，Offerins等人发现高速率腐蚀面是(410)面［4］。因此针对这种削角补偿的研究越来越多，如在凸角上补偿方形、三角形、＜110＞条形及＜100＞条形掩膜等，其目的都是为了得到完整的凸角结构。通过实验采用正方形及正方形拓展补偿图形掩膜，研究要在KOH腐蚀液中将厚度为390μm厚的硅片腐蚀出完整的台面凸角结构需要补偿多大尺寸的掩膜，得出补偿图形尺寸与腐蚀深度的关系。

3.1 边角补偿的掩膜设计

在方型掩膜的边角上添加补偿条或补偿块，使(410)快腐蚀面在腐蚀过程中，刚好来不及削角。下面只介绍方形补偿及在方形补偿基础上拓展的双正方形补偿。

很多文献中都提到方形补偿(如图1)［5］效果不错，而且有很多经验值如 a=H、a=1.414H、a=0.912H等，方形补偿设计取a=H。若方形补偿凸角处依然出现削角，那么在这个正方形的基础上叠加一个正方形使台面的(100)面和(410)面均加大面积(如图2)。双正方形补偿设计取a=0.91H。

图1 方形补偿

图1设计尺寸:第一单元:a=100μm;第二单元:a=200μm;第三单元:a=270μm;第四单元:a=350μm。

图2 方形补偿扩展

图2设计尺寸:第一单元a=91μm;第二单元a=182μm;第三单元 a=245μm;第四单元 a=318μm。

3.2 版图设计

用L－Edit工具完成版图设计并制成掩膜版。如图3、图4(图形正中间的正方形为最终想得到的台面1mm×1mm):

3.3 实验装置

实验用n型单晶硅片，实验装置为DF－Ⅱ集热式磁力搅拌器，可得到稳定的实验温度;STM－6奥林巴斯显微镜，可测硅片的腐蚀深度，采集照片等。腐蚀液是浓度为39%的KOH溶液。调节控制面板，设定所需温度(80℃)，当溶液温度与水浴锅里的温度一致，并达到设定温度时，将硅片放入。在腐蚀过程中，搅拌子不断搅拌，使溶液保持流动，防止出现局部溶液浓度过低的现象。

3.4 实验结果及分析

由于设计的实验数值较多，得到准确的补偿尺寸与腐蚀深度的关系需采用效果最好的照片。取第四单元实验结果，双正方形的补偿效果最好。根据a=xh，已知 a=318μm，h=353μm，得 a=0.898h。

取方形补偿，双正方形补偿，无任何补偿的腐蚀台面高度均达353μm时的显微照片(见图5－图7)。

图5 方形补偿

图6 双正方形补偿

图7 无任何补偿

由图5看出方形补偿的效果并不好，凸角处已经出现了严重的削角现象;图6的补偿效果非常好，得到了完整的台面结构;由图7明显看出当台面结构没有进行凸角补偿时，随硅片腐蚀深度的加深台面凸角处的削角现象越来越严重，而经过补偿设计图形凸角处的削角很小或不削角。

4 结束语

当腐蚀有台面结构的图形时，制版时必须对其凸角结构进行补偿，重点实验的双正方形补偿可以得到理想的凸角结构，但是由于补偿面积较大，比较适用浅度补偿或台面间距不受限制的深度补偿。这种方法操作简单，能得到完整的凸角结构，因此可以在硅微机械加工技术中广泛使用。

［1］GT A Kovacs，N I Maluf，K E P etersen.Bulk Micromachining of Silicon［J］.Proceedings of the IEEE，1998(8):1536－1551.

［2］王涓.MEMS中单晶硅的湿法异向腐蚀特性的研究［D］.江苏:东南大学，2000.

［3］沈桂芬，吴春瑜，姚朋军，等.各向异性腐蚀技术研究与分析［J］.传感技术学报，2001(2):140－142.

［4］H.L.Offereins，K.Kuhi，and H.Sandmaier［J］.Sensors and Act.1991，10(2):25 －27.

［5］黄庆安.硅微机械加工技术［M］.北京:科学出版社，1996.