硅片的湿法刻蚀的各向异性加工出V形槽条纹

利用湿法刻蚀在硅片加工出 V 形槽条纹1 刻蚀原理硅的湿法刻蚀是指利用含有腐蚀剂的溶液对硅进行腐蚀 , 可分为各向同性腐蚀技术和各向异性腐蚀技术。各向同性腐蚀是指各个晶向上的腐蚀速率相同 , 衬底和表面取向的不同对腐蚀速率的影响不大。 各向异性腐蚀是指硅的不同晶面在某些特定的腐蚀液中被刻蚀的速率不同 , 导致各个晶向的腐蚀速率不同。现出结构边缘平滑的现象。各向同性腐蚀液常用 HF、 HN O 3 和 H2O(CH3COOH) , 用这些腐蚀液很难实现选择性腐蚀 , 并且很难能找到能够长时间承受腐蚀的材料。 各向异性腐蚀液包括无机腐蚀剂和有机腐蚀剂两种 , 其中无机腐蚀剂为 NH 4OH、 KOH 和 NaOH 等碱性溶液 , 有机腐蚀剂为 TMAH 、EPW( 邻苯二酚、乙二胺、水 ) 和联胺。通常情况下选用 KOH、 ( CH3 ) 2CHOH ( 异丙醇也叫 IPA) [ 8] 和水作为各向异性腐蚀液 , 则根据硅在腐蚀液中的腐蚀机制可表示如下：KOH+ H3O= K+ +2OH - +H +Si+ 2OH - + 4H 2O=Si( OH)6 2-Si( OH) 6 2- + 6( CH 3) 2CH OH= [ Si( OC 3H7 ) ] 62- + 6H 2O 然后，络合产物与异丙醇作用生成可溶解。2 工艺实现为实现利用湿法刻蚀在硅片加工出 V 形槽条纹这一目标，需要三步工艺：氧化，光刻，硅腐蚀。图 1 硅单晶晶体结构在本文中用（ 100）双面抛光硅片来叙述，图 2 中 V 型槽的两个斜面为 (111)晶面，底面为 (100)晶面。由晶体结构计算斜面（ 111）与地面（ 100）夹角 54.736°。当腐蚀的时候，从（ 100）硅片上沿着（ 110）方向腐蚀时掉需要腐蚀的硅原子，从而暴露出倾角为 54.736°的（ 111）面，双面进行就会形成 V 型槽结构。由于硅片的腐蚀存在备向异性，硅 (111)晶面的腐蚀速度远小于 (100)面的。因此，只要选择适当的腐蚀温度和时间，就能得到如图 2 所示的硅片 V 型槽。将硅单晶体按（ 100）方向切成所需大小的硅片。图 2 硅片 v 型槽示意图下面主要讲如何通过氧化、光刻、腐蚀，即可制作出合格的硅片 V 型槽。图 3 工艺流程图2.1 氧化硅片经抛光表面、清洗后，用标准 RCA 工艺进行，在 1130℃下，先通湿氧氧化 2.5 h ，再通干氧氧化 l h，然后两面都热氧化生长 1um 均匀致密的 SiO2 氧化层 , 用 PECVD 淀积600nm Si3N4 作为掩蔽层，为光刻做准备。2.2 光刻图 4 湿法刻蚀流程示意图采用双层掩模法，即在氧化硅表面蒸发上一层铬、金，厚度分别为 50 nm 、 80 nm。因为铬、金腐蚀时间较短，光刻胶的抗腐蚀性已足够。这样，用光刻胶作掩模先腐蚀铬、金，再用铬、 金作掩模腐蚀 SiO2。 SiO2 腐蚀液配为 HF： NH4F： H20=1： 2： 3， 腐蚀时间约 10 min 。这种双层掩模光刻法腐蚀出的 SiO2 层图形边缘平整、无锯齿。最后去胶，将 SiO2 层残留的铬、金完全腐蚀掉。整个光刻过程如图 4 所示。2.3 硅腐蚀将已定域腐蚀 SiO2 层的硅片放入已配好的硅腐蚀液中，硅腐蚀液的配方为氢氧化钾：异丙醇：水 =1： 2： 2。在 78℃下腐蚀。由于硅的腐蚀存在各向异性，经一定的腐蚀时间，大约 80 min 即可得到要求的 V 型槽。 另外， 为防止 V 型槽底部出现 “小岛” ， 在腐蚀过程中，需要一定的搅拌。