第八章+刻蚀法图形转移技术资料下载.pdf
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掩模的抗刻蚀比掩模的抗刻蚀比刻蚀的方向性刻蚀的方向性45化学湿法刻蚀技术:
化学湿法刻蚀技术:
泛指所用应用化学腐蚀液体的腐蚀方法。
显著特点显著特点:
各向同性腐蚀,图形横向与纵向的腐蚀速率相同。
但是某些腐蚀液对硅:
但是某些腐蚀液对硅的不同晶面有不同的腐蚀速率,会形成各向异性腐蚀。
的不同晶面有不同的腐蚀速率,会形成各向异性腐蚀。
应用应用:
各向同性腐蚀图形不可能有很高的图形分辨率,主要应用硅的表面清洗工艺,:
各向同性腐蚀图形不可能有很高的图形分辨率,主要应用硅的表面清洗工艺,而不是一种图形转移技术。
凡需而不是一种图形转移技术。
凡需高分辨率的图形转移高分辨率的图形转移的工艺过程均以干法刻蚀为主。
的工艺过程均以干法刻蚀为主。
应用热点:
主要在微机电系统与微流体器件制造领域,由于这些机构尺寸比集成电主要在微机电系统与微流体器件制造领域,由于这些机构尺寸比集成电路结构尺寸大得多,化学湿法刻蚀能够满足要求,且成本大大低于干法刻蚀。
路结构尺寸大得多,化学湿法刻蚀能够满足要求,且成本大大低于干法刻蚀。
主要腐蚀材料:
硅和二氧化硅是微机械和微流体系使用最广泛的材料,也是半导体硅和二氧化硅是微机械和微流体系使用最广泛的材料,也是半导体工业的基础材料,各种化学湿法主要以腐蚀这两种材料为主。
工业的基础材料,各种化学湿法主要以腐蚀这两种材料为主。
(二)化学湿法腐蚀
(二)化学湿法腐蚀6硅的各向异性腐蚀硅的各向异性腐蚀沿任意两个晶格点的连线的方向称为晶向,垂直于晶向矢量的彼此平行的沿任意两个晶格点的连线的方向称为晶向,垂直于晶向矢量的彼此平行的平面为晶面。
晶面指数以平面为晶面。
晶面指数以hklhkl来表示,晶面指数以(来表示,晶面指数以(hklhkl)表示。
某一表示。
某一hklhkl晶向代表垂直于某一晶向代表垂直于某一(hklhkl)晶面的法向矢量。
晶面的法向矢量。
某些碱类化学腐蚀液对硅的腐蚀与硅的晶面原子排列情况有关,因此不同某些碱类化学腐蚀液对硅的腐蚀与硅的晶面原子排列情况有关,因此不同晶面方向的腐蚀速率有相当大的差异。
以常见的(晶面方向的腐蚀速率有相当大的差异。
以常见的(100100)、()、(110110)和)和(111111)晶面为例,它们在氢氧化钾()晶面为例,它们在氢氧化钾(KOHKOH)中的腐蚀速率之比为:
)中的腐蚀速率之比为:
(110110):
():
(100100):
(111111)=400:
200:
1=400:
1。
由于晶面的夹角不同,这种由于晶面的夹角不同,这种依赖于晶面的腐蚀速率差异将会造成不同的腐蚀剖面结构。
依赖于晶面的腐蚀速率差异将会造成不同的腐蚀剖面结构。
以以100100晶向的硅为例,从晶向的硅为例,从100100方向腐蚀所得到的剖面不是垂直的,而是方向腐蚀所得到的剖面不是垂直的,而是成成54.7454.74,这是因为,这是因为111111晶向与晶向与100100晶向夹角为晶向夹角为54.7454.74,111111方向方向的腐蚀速率远远低于的腐蚀速率远远低于100100方向高。
方向高。
7单晶硅的三个晶格取向与晶面原子分布单晶硅的三个晶格取向与晶面原子分布8硅硅100100晶向的各向异性腐蚀剖面晶向的各向异性腐蚀剖面Why54.7?
(111)planenormalvector=111(001)planenormalvector=001001111cos00111110碱性腐蚀液对硅的腐蚀是各向异性,使得最终腐蚀的图形不一定是初始的设计碱性腐蚀液对硅的腐蚀是各向异性,使得最终腐蚀的图形不一定是初始的设计图形,很难得到理想的图形。
图形,很难得到理想的图形。
对于(对于(100100)晶面的硅片,有)晶面的硅片,有44个(个(111111)面与()面与(100100)面相交呈)面相交呈54.7454.74夹角,且夹角,且这这44个(个(111111)面彼此垂直。
因此用一个矩形掩模腐蚀总是可以得到一个)面彼此垂直。
因此用一个矩形掩模腐蚀总是可以得到一个矩形开矩形开口口,尽管矩形槽的边壁不是垂直的。
如果掩模图形的边缘不与晶面重合,则腐,尽管矩形槽的边壁不是垂直的。
如果掩模图形的边缘不与晶面重合,则腐蚀所得到的图形会偏离原来的掩模的图形。
蚀所得到的图形会偏离原来的掩模的图形。
腐蚀腐蚀(100(100)晶面硅片上的一个)晶面硅片上的一个十字形掩模十字形掩模,随着腐蚀时间的增加,腐蚀结构越,随着腐蚀时间的增加,腐蚀结构越来越偏离原来的掩模图形。
来越偏离原来的掩模图形。
由十字形掩模由十字形掩模得到的(得到的(100100)硅片腐蚀结构硅片腐蚀结构11由各向异性腐蚀方法制作凸形结构时通常无法获得尖角,内角随着腐蚀时间由各向异性腐蚀方法制作凸形结构时通常无法获得尖角,内角随着腐蚀时间的增加完全消失。
为了获得尖角,要对腐蚀掩模的图形加以的增加完全消失。
为了获得尖角,要对腐蚀掩模的图形加以补偿补偿,即留出充,即留出充分的腐蚀余量。
分的腐蚀余量。
方形掩模设计,其中一个角增加了方形掩模设计,其中一个角增加了补偿结构补偿结构,由该掩模得到的腐蚀结构,该,由该掩模得到的腐蚀结构,该结果清楚地显示了只有补偿过的角保留下来,其余没有做过补偿的角都因过结果清楚地显示了只有补偿过的角保留下来,其余没有做过补偿的角都因过腐蚀而变钝。
腐蚀而变钝。
掩模图形补偿技术掩模图形补偿技术12由于单晶硅湿法腐蚀的晶向依赖性,使掩模与晶向的对准变得十分重要。
对准由于单晶硅湿法腐蚀的晶向依赖性,使掩模与晶向的对准变得十分重要。
对准不好,腐蚀沟道的走向就不会沿着掩模设计的走向方向发展,而是沿着晶向的不好,腐蚀沟道的走向就不会沿着掩模设计的走向方向发展,而是沿着晶向的方向发展。
方向发展。
硅片的表面为(硅片的表面为(110110)面,矩形掩模的长轴)面,矩形掩模的长轴方向成三个不同的角度,所腐蚀形成的图形也方向成三个不同的角度,所腐蚀形成的图形也呈三个不同的角度,所腐蚀形成的图形也呈三呈三个不同的角度,所腐蚀形成的图形也呈三种不同的剖面结构。
值得注意的是,当矩形掩种不同的剖面结构。
值得注意的是,当矩形掩模的长轴方向转角模的长轴方向转角35.235.2时,沿长轴边缘腐蚀时,沿长轴边缘腐蚀的边壁是垂直的,并且掩模开口与边缘完全吻的边壁是垂直的,并且掩模开口与边缘完全吻合。
合。
在(在(110110)晶面上不同掩模方向形)晶面上不同掩模方向形成的腐蚀结构比较成的腐蚀结构比较13判别硅片晶面与掺杂种类的标志判别硅片晶面与掺杂种类的标志为了得到掩模与晶向的良好对准,首先要知道硅片的晶面。
为了得到掩模与晶向的良好对准,首先要知道硅片的晶面。
14实现单晶硅的各向异性腐蚀必须用碱类化学腐蚀液。
常用的碱液包括实现单晶硅的各向异性腐蚀必须用碱类化学腐蚀液。
常用的碱液包括氢氧化钾氢氧化钾(KOHKOH)、)、EDP(EDP(ethylenediamineethylenediaminepyrocatechol)pyrocatechol)和和TMAH(TMAH(trimethyltrimethylammoniumammoniumhydroxide)hydroxide),其中,其中KOHKOH最为普遍。
最为普遍。
KOHKOH的腐蚀速率与的腐蚀速率与KOHKOH的浓度和温度有关,的浓度和温度有关,KOHKOH的的腐蚀速率在腐蚀速率在20%20%左右浓度时达到最大值,温度越高,腐蚀速率越高。
左右浓度时达到最大值,温度越高,腐蚀速率越高。
化学湿法腐蚀硅通常需要腐蚀较深的深度,所以湿法腐蚀硅技术通常又称为硅的化学湿法腐蚀硅通常需要腐蚀较深的深度,所以湿法腐蚀硅技术通常又称为硅的体微加工技术,以区别常用的面微加工技术。
例如:
在硅表面先沉积一层支撑薄体微加工技术,以区别常用的面微加工技术。
在硅表面先沉积一层支撑薄膜(膜(氧化硅或氮化硅层氧化硅或氮化硅层)。
通过光刻和金属溶脱剥离或刻蚀工艺制作出所需要的)。
通过光刻和金属溶脱剥离或刻蚀工艺制作出所需要的微结构。
然后将微结构下面的硅衬底全部腐蚀清除,最后形成仅由薄膜支撑的微微结构。
然后将微结构下面的硅衬底全部腐蚀清除,最后形成仅由薄膜支撑的微结构。
结构。
EDPEDP:
对二氧化硅的腐蚀速率很低,一般比:
对二氧化硅的腐蚀速率很低,一般比KOHKOH低低100100倍。
如果用二氧化硅做掩模,倍。
如果用二氧化硅做掩模,则可以用则可以用EDPEDP做腐蚀液。
做腐蚀液。
EDPEDP还有一个特点是对硅的掺杂浓度特别敏感。
还有一个特点是对硅的掺杂浓度特别敏感。
TMAHTMAH:
本身是光刻胶的一种显影液,也广泛用于硅的腐蚀液。
:
TMAHTMAH对二氧化硅的对二氧化硅的腐蚀速率低,而不像腐蚀速率低,而不像EDPEDP那样有毒性。
那样有毒性。
TMAHTMAH腐蚀表面的光滑度要比腐蚀表面的光滑度要比KOHKOH腐蚀表面好腐蚀表面好1010倍,是湿法腐蚀硅纳米结构的最佳碱性腐蚀液。
倍,是湿法腐蚀硅纳米结构的最佳碱性腐蚀液。
TMAHTMAH还有一个优点是它不含碱还有一个优点是它不含碱金属离子,可以安全地用于集成电路制造的工艺环境。
金属离子,可以安全地用于集成电路制造的工艺环境。
15KOH在(100)晶面的腐蚀效率用硅体微加工制作薄膜支撑框架的结构需要去掉大量的材料,需需要去掉大量的材料,需要腐蚀速度快,还得要掩要腐蚀速度快,还得要掩模抗腐蚀。
此时的掩模层模抗腐蚀。
此时的掩模层为二氧化硅或氮化硅。
为二氧化硅或氮化硅。
16腐蚀液体腐蚀液体:
酸对硅的腐蚀是各向同性的。
最常用的是氢氟酸(:
最常用的是氢氟酸(HFHF)、硝酸)、硝酸(HNOHNO33)与醋酸()与醋酸(aceticacid),aceticacid),通常称为通常称为HNAHNA。
腐蚀机理腐蚀机理:
一般认为:
一般认为硝酸使硅表面氧化,然后氢氟酸将氧化部分的硅溶解硝酸使硅表面氧化,然后氢氟酸将氧化部分的硅溶解,醋酸在这里主要起稀释作用,醋酸在这里主要起稀释作用,也可以用水代替醋酸作为稀释液。
,也可以用水代替醋酸作为稀释液。
3Si+4HNO3Si+4HNO333SiO3SiO22+4NO+2H+4NO+2H2200SiOSiO22+6HF+6HFHH22SiFSiF66+2H+2H2200腐蚀速率腐蚀速率:
HNAHNA对硅的腐蚀速率取决于这对硅的腐蚀速率取决于这33种酸的混合比例,下图是三种酸种酸的混合比例,下图是三种酸的浓度比与腐蚀速率的关系,显然,有两份氢氟酸与一份硝酸加少许醋酸形的浓度比与腐蚀速率的关系,显然,有两份氢氟酸与一份硝酸加少许醋酸形成的腐蚀液具有最大的腐蚀速率(成的腐蚀液具有最大的腐蚀速率(240240mmminmin)。
硅的各向同性腐蚀硅的各向同性腐蚀17HNAHNA浓度比与腐蚀速率的关系浓度比与腐蚀速率的关系18腐蚀液配比:
腐蚀液配比:
下表中给出了下表中给出了HNAHNA中三种酸的配比与相应的腐蚀速率,中三种酸的配比与相应的腐蚀速率,其中其中HF(49%)HF(49%)、HNOHNO33(70%70%)、醋酸()、醋酸(100
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- 第八 刻蚀 图形 转移 技术