硅(100)晶面各向异性腐蚀的凸角补偿方法

郭玉刚， 吴佐飞， 田 雷

(1.中国航发控制系统研究所，江苏 无锡 214063； 2.中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

在硅压阻式压力传感器芯片研制过程中，根据敏感膜是否带有背岛结构将其分为C型膜和E型膜。在常规的应用条件下，C型膜结构即可满足大部分要求，但当有高过载、高线性度等特殊要求时，需要在敏感膜上增加背岛形成E型结构，起到过载保护以及提高线性度的作用[1，2]。

通常压阻式压力芯片以(100)单晶硅为材料，采用表面或体硅微机械加工工艺进行加工，而在体硅微机械工艺中，湿法腐蚀是较早被用于硅基传感器加工的方法，根据腐蚀液的不同,可分为各向异性腐蚀和各向同性腐蚀。经过多年的验证与优化，目前仍然广泛采用的是基于氢氧化钾(KOH)，四甲基氢氧化铵(TMAH)等碱性腐蚀液的各向异性湿法腐蚀[3，4]。各向异性腐蚀利用单晶硅(100)与(111)晶面上原子排列密度不同，因而在特定腐蚀液中的腐蚀速度不同的特点，在衬底片掩蔽层上开窗口，即可在衬底硅片上加工出硅杯、质量块、V型槽等结构。在各向异性腐蚀工艺中，具有凸直角结构的质量块无法通过直角掩模直接获得，需要考虑削角腐蚀问题。本文针对削角腐蚀问题进行了凸角补偿试验，为研制具有过载保护结构的压阻式压力传感器芯片做技术储备。

1 凸角补偿方法

在(100)硅片KOH各向异性腐蚀中，当有凹角结构时，腐蚀会在(100)晶面与(111)晶面的相交处停止；当有凸角结构时，凸直角掩模下方的硅表面被钻蚀，形成由〈410〉线段构成的，夹角约为152°的钝角，出现削角腐蚀现象[5，6]，如图1所示。实际腐蚀图形与设计图形会有较大差异，因此要进行凸角结构的补偿。

图1 硅〈100〉晶面凸角与凹角腐蚀

针对单晶硅各向异性腐蚀的凸角补偿问题已有很多研究成果，通常在凸角位置增加三角形、条形或方形等补偿结构[7～9]，使得腐蚀液优先腐蚀补偿图形。针对不同配比的腐蚀液采用适当尺寸的补偿图形，可以获得近乎理想的凸直角结构。以方形补偿结构为例，在需要补偿的凸角两侧增加叠加的两个正方形，正方形的边长a约为腐蚀深度H的2倍[10]，如图2所示。

图2 正方形补偿结构

正方形补偿结构具有补偿图形简单、尺寸计算简便等优点，但补偿图形需占据凸角附近较大的区域，比较适合相对孤立的凸角补偿。而在凸台加工时,需要同时针对相邻的4个凸角进行补偿，大大增加了芯片的尺寸。采用正方形补偿结构进行凸角补偿的实例如图3所示，图中所示为凸角补偿腐蚀掩模板以及实际补偿加工样件。

图3 正方形补偿结构示例

2 凸角补偿方案设计

在一种具有过载保护结构的E型压阻式压力传感器芯片研制过程中，拟采用长方形结构的凸台保护结构，芯片结构设计如图4所示。

图4 E型压力传感器芯片结构

由于长方形台面短边上的两个凸角过于接近，不适合采用上述正方形补偿方案，因此本文参考长条形补偿结构方案[6]进行凸角补偿方案设计，方案设计前提条件如下：

1)压力芯片衬底硅的厚度为525 μm，敏感膜的设计厚度为30 μm，则目标腐蚀深度H为495 μm；

2)KOH腐蚀液浓度为40 %，〈410〉晶向前沿的腐蚀速率与〈100〉晶向的腐蚀速率之比采用典型值2.7，则所需有效补偿图形长度约为1 337 μm；

3)补偿图形的条宽设计为100 μm，满足0.2～0.4H的要求；

4)确保补偿图形之间以及补偿图形与边框之间不出现V型尖底。

在上述条件的约束下，设计了有效补偿长度为1 233～1 437 μm的九种补偿图形，理论上可满足腐蚀深度为455～532 μm的凸角补偿，设计方案如图5所示。在压阻式压力传感器芯片应用中，凸台主要用于过载保护以及提供应力集中区，因此未特别考虑削角比问题。

图5 凸角补偿版

3 实 验

为验证设计方案的补偿效果，选用厚度为402 μm的N型(100)单晶硅试验陪片，按下述工艺步骤进行试验：

1)热氧化生长二氧化硅(SiO2)；

2)低压化学气相沉积(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)淀积氮化硅(Si3N4)；

3)采用凸角补偿掩模板进行光刻，并刻蚀Si3N4和SiO2；

4)采用浓度为40 %的KOH溶液进行腐蚀，温度为80 ℃，腐蚀深度为370 μm，腐蚀完成后测量补偿图形的剩余尺寸，计算〈410〉与〈100〉晶向的腐蚀速率比并观察补偿效果。

腐蚀后的补偿结构如图6所示。

图6 腐蚀后的补偿结构

对腐蚀后的补偿图形进行尺寸测量与分析，得到如下信息：

1)在补偿方案1中，〈110〉晶向补偿条的设计长度为1 150 μm，经过370 μm深度的腐蚀后，剩余补偿条的长度约为137 μm，因此，当KOH腐蚀液浓度为40 %，腐蚀温度为80 ℃时，〈110〉晶向补偿条的横向腐蚀速率与〈100〉晶向的纵向腐蚀速率比约为2.74，与文献[6]中采用的数值相当；

2)通过方案2与方案3的对比，可知在〈110〉补偿条端头处附加短的弯头可以控制补偿条腐蚀前沿的形状；

3)方案4～方案6的有效补偿长度分别为1 233，1 333，1 433 μm，方案7～方案9的有效补偿长度分别为1 237，1 337，1 437 μm，两组方案的补偿长度基本相同，只是在形状结构上有差异。经过测量，方案5、方案8剩余的有效补偿长度约330 μm，方案6、方案9剩余的有效补偿长度约430 μm，可满足总腐蚀深度为495 μm的腐蚀要求；

4)通过不同晶向间的夹角计算公式[11]可知〈410〉晶向与〈100〉晶向的夹角约为31°，实际测量值约为32°，二者基本吻合。

4 结 论

本文针对单晶硅(100)晶面在KOH腐蚀中的凸角补偿问题进行了试验研究。通过试验验证了〈110〉晶向补偿条的凸角补偿效果，计算得到KOH腐蚀液浓度为40 %，腐蚀温度为80 ℃时，〈110〉晶向补偿条的横向腐蚀速率与〈100〉晶向的纵向腐蚀速率比约为2.74，并获得了可以进行495 μm以上腐蚀深度的补偿结构方案。相比于双正方形补偿方案，采用〈110〉晶向条形补偿结构可以获得更大的有效补偿长度，不仅可以对腐蚀深度较大的凸台进行补偿，而且在一定程度上可以减小芯片的尺寸；另外通过不同方向〈110〉补偿条的组合,可对腐蚀前沿的形状进行控制，得到更接近直角的凸台结构，适用于E型结构压力传感器芯片、加速度计等MEMS器件的研发设计。