体型微加工技术在线视频

同学们好

今天我们要将学习MEMS制造工艺的第二节

体型微加工技术

体型微加工技术的定义

是指向硅片基底方向

就是Substrate 基底方向

进行刻蚀的技术

即硅衬底的刻蚀技术

这里我提个问题

请同学们课后思考

为什么在集成电路工艺中

我们不需要使用体型微加工技术呢

希望通过这一小节的学习

后面同学能够回答我这个问题

这里硅深刻蚀的技术主要有两种方法

一种是湿法刻蚀 另外一种就是干法刻蚀

那么大部分的刻蚀工艺在刻蚀章节里面

我们都讲述过了

这里我会针对MEMS进行说明

那么在MEMS里面

它的刻蚀所需要的时间

和用的刻蚀的液体是不一样的

我们先看看湿法刻蚀里面的

各项同性湿法刻蚀

各项同性 顾名思义

它的意思就是说 在刻蚀的时候

在硅的各个方向上 刻蚀速率基本相同

所以最后会刻出类似球形的凹槽结构

这类湿法刻蚀主要使用的刻蚀剂是HNA

由氢氟酸 硝酸和带水醋酸

按照25：50：80的配比调配

它的刻蚀机理是硝酸氧化性最强 先反应

将硅氧化成二氧化硅

然后氢氟酸可以和二氧化硅反应

形成易溶于水的氟硅酸

醋酸的主要作用

是防止硝酸见光 自行分解为水

二氧化碳和氧气 这是整个

这里这几个公式就显示了

整个过程的化学反应方程式

这幅图显示的是刻蚀剂HNA的成分

对刻蚀速率的影响

因为这里面HNA的这个刻蚀剂有三种成分

有不同的比例

那比例的变化对于我这个刻蚀速率是有影响的

可以根据我们需要的刻蚀速率

找到对应的成分比例

比如说我们需要100微米每分钟的刻蚀速率

那么我们可以确定就是图上白点的位置

找到对应的这个三轴系数

分别对应的是51%的氢氟酸

24%的硝酸和25%的含水醋酸

MEMS制备过程中

采用湿法工艺来形成一个结构

一般来说也需要定义一个图形

不是所有地方都去刻

这种情况下就需要在硅表面上

先淀积一层保护层

然后对保护层进行图形化

对于使用刻蚀剂HNA的这种湿法刻蚀步骤来讲

可以使用的保护层有氮化硅和金等等

那么HNA对这两种材料几乎是不刻蚀的

但我们也可以使用热生长的二氧化硅

因为热生长的热氧化硅

它的这个层是非常致密的 材料很致密

所以HNA对其刻蚀速率也非常低

每一分钟的刻蚀速率大约是30-80纳米

如果同样的你刻硅是一个微米的话

那相比之下

对于二氧化硅的刻蚀速率就低多了

但是我们不能用铝来作为刻蚀的保护层

因为铝会被硝酸氧化

另外我们也不用正性光刻胶

因为正性光刻胶只是很短暂的使用

长时间使用也会有问题

因为正胶的刻蚀速率也比较快

各向同性的湿法刻蚀在MEMS工艺中

应用主要有去除表面损伤 消除尖角

降低表面的残余应力

其他加工后表面的抛光 减薄和刻蚀

或者用于刻蚀圆形通道等等

下面我们来讨论一下湿法刻蚀中

各向异性湿法刻蚀的办法

那顾名思义 各向异性的意思就是

刻蚀的时候 在硅的各个方向上

刻蚀速率非常不同

所以最后会根据刻蚀剂

对于不同晶向的刻蚀速率

刻出一个三角形或者多边形的结构

各向异性主要使用的刻蚀剂是碱性的溶液

不同于各向同性刻蚀剂中的酸性刻蚀液

主要使用的

在各向异性里面主要使用的有碱金属溶液

主要氢氧化钾 氢氧化钠 氢氧化铯

还有乙烯乙二胺邻苯二酚EDP

和四甲基 氢氧化铵 TMAH等等

各向异性的湿法刻蚀的主要特点

是对于硅的各个晶向刻蚀速率不同

比如说以KOH氢氧化钾为例

氢氧化钾对于硅的110 100和111三个晶向

它刻蚀速率比为600：400：1

所以氢氧化钾基本上是不刻蚀111面的

所以就是刻蚀会停止在111面

所以最后整个刻蚀结构 就是这个形状

就由111面的相对位置来决定的

比如以这张图100晶向的硅为例

中间长方形的刻蚀开口

中间有一个长方形刻蚀开口

经过KOH刻蚀之后

会首先刻蚀ABCD四个点围成的长方形表面

然后再继续往下走

往下刻蚀到EF点的时候

这个时候的ADE BCF和ABFE

以及CDFE这四个面都是111面

那它就不往那边走了 刻蚀停止了

就会刻蚀成一个V型的槽

那么我们来看一下100硅的晶格结构

它的111面和100面的夹角是54.74度

所以对于长方形的

长条形的开口进行刻蚀之后

形成V形槽的斜面和表面的夹角

也就是54.74度

对于不同大小的开口 刻蚀一定时间后

可以看到小开口的硅已经被刻成一个V形槽了

那么但是基本它就不再往下刻蚀了

对于大开口的 还未刻蚀到V形的尖端

它会时间的推移继续往下刻蚀

直到最后形成一个大的V形槽

所以如果知道了开口的尺寸

经过足够长的刻蚀时间

我们是可以知道刻蚀得到的最后结果的

同样的 我们也可以用这种方法

刻蚀出一个通孔 通过计算

可以设计这个刻蚀口的大小

来控制通孔这个口的大小

因为这个KOH对硅的两面都会进行刻蚀

如果你没有保护的话

因为整个硅片放到这个刻蚀剂里面

两面都会刻蚀

所以我们可以在两面都做好刻蚀保护层后

用KOH来进行双面刻蚀

这样就可以刻蚀出一个薄膜

就是说也刻出一个 把硅的下方掏空

也可以通过上下对齐的开口

刻出来一个漏斗形的小孔

通过开口尺寸

就可以算出刻蚀V形槽的深度

接下来我们来看一个例子

绿色为刻蚀保护层 留出一个U形刻蚀开口

这样一个开口经过刻蚀后呢

将会得到什么样一个结构呢

首先它都会刻蚀往下走 都得到111面

111的斜面停止 形成这个图的样子

左边这个图的样子 大家注意到

突出的悬臂梁下方的三个111面

相交形成两个凸角

这两个暴露出来的凸角会被KOH继续刻蚀

最后会将悬臂梁下方的硅

都给掏空了 刻掉了

形成一个悬空的 悬臂梁的一个结构

右侧是一个 这张图 上面这张图

是一个实际结构的纤维图形 可以看出

较短的悬臂梁下面的硅已经被刻空了

而较长的悬臂梁底下的硅还没有被完全刻掉

那你可以看到还有一些硅留下来

所以说我们利用KOH各向异性的刻蚀特性

可以制作出很多很特别的结构

这也是MEMS需要的地方

下面我们对湿法刻蚀做一个小节

各向同性刻蚀主要使用双性溶剂作为刻蚀剂

刻蚀溶液配比对刻蚀速率有比较大的影响

对于各向异性的刻蚀

则主要使用碱性溶液作为刻蚀剂

那么它的刻蚀速率跟晶向是有关的

刻蚀会自动停止在硅的111面上

湿法刻蚀的优点有操作简单

相对安全和无毒

但是使用碱性金属

它与集成电路的工艺是不兼容的

因为碱性金属里面的离子

比如钠离子 钾离子 它太容易移动了

是在IC工艺中 它是一个快扩散杂质

对于IC工艺会有很大的影响

另外它相对不够灵活

只能刻蚀出比较固定的结构和夹角

通过上面的内容我们知道

无论是各向同性也好

还是各向异性的湿法刻蚀

都没有办法在硅的上面刻蚀出垂直的深槽

因为它都有一个 要么是一个圆形的

要么是一个夹角

如果我们需要得到垂直结构的深槽

就需要使用到干法刻蚀

干法刻蚀我们又可以分为物理刻蚀方法

和化学刻蚀方法

物理刻蚀是指用电场加速

用高能粒子来轰击 来进行刻蚀

它这个非常的霸道 就是

加速这个离子去打它 把它打走

化学刻蚀又有气相刻蚀

等离子体刻蚀和反应离子刻蚀三种

总的来说 都是利用气体的化学反应来进行刻蚀的

但三种刻蚀方法适用的范围不同

由于具体的这些干法刻蚀方法

它具体的办法

都在刻蚀章节里面 我们都介绍过了

总的来说大同小异 这里我们就不详细描述了

同学们可以回去看我们的这个

干法刻蚀课程去学习

下面我们是利用一个体型微加工技术

来实现一个微针阵列的实例

这张图显示了

显示了最后需要刻成的这个器件的结构

那么我们来讨论一下

如何利用所需要的知识来制备这个结构

首先在衬底上用干法刻蚀出

垂直的深槽圆孔A

和这个半圆形的垂直深槽B

然后在背面刻出垂直的深槽圆孔C

与A相同 形成一个贯穿基底的圆孔

得到ABC三个深槽之后

在表面垫一层刻蚀的保护层

就是图里面的黑色外框所示

刻蚀掉顶部的保护层

然后让整个硅片就在KOH下面

进行各向异性的湿法刻蚀

那这样子 正面就会刻出一个111面的斜坡

背面由于保护层 可以避免被刻蚀

但因为臂孔是圆环形的

那这个111面的斜坡

之间会形成一个凸角 继续被刻蚀

所以最后 右侧最后就会完全被刻蚀掉

得到这张图里面图示的结果

最后我们再将这个保护层选择性地刻蚀掉

就得到左图的微针的这个阵列结果

同学们 在这节课程里面

我们学习了通过体型微加工的方法

制备MEMS器件

最重要的就是通过硅深刻蚀的各种办法

包括湿法的各向同性

湿法的各向异性和干法刻蚀的办法

通过这些办法 我们就刻出更多的MEMS结构

那么同时今天我们也讲了一个案例

通过这个案例分析

同学们应该已经发现

通过巧妙地设计刻蚀的办法

可以制备出各种各样的结构

这节课就上到这里 谢谢大家