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KOH 刻蚀单晶硅工艺
7 小时前   浏览:154   作者:小萍子
本文将介绍KOH 湿法刻蚀单晶硅工艺。


KOH 湿法刻蚀是 MEMS 和光伏中最经典的硅各向异性刻蚀方法。它的核心特点是不同晶面的刻蚀速率差别极大,因此能利用晶体结构“自动”刻出几何形状精确的结构。



反应原理




总反应可写为:


Si + 2OH⁻ + 2H₂O → SiO₂(OH)₂²⁻ + 2H₂↑


OH⁻ 先氧化表面 Si 原子并注入电子,再与水反应生成可溶的硅酸根,同时放出氢气。


各向异性来源:(111) 面每个表面原子有 3 个背键连接体相,键合最牢,原子排列也最密,所以刻蚀极慢。(100) 面原子只有 2 个背键,刻蚀快得多。典型刻蚀速率比如下:


(110) : (100) : (111) ≈ 几百 : 100~400 : 1


具体比值随浓度和温度变化。


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典型几何结构




(100) 晶圆掩膜边沿 <110> 方向(平行于主参考边)对准时,侧壁是 (111) 面,与表面夹角为 54.74°。由此可以得到:

底部宽度 W_b = W_mask − 2d·cot54.74° ≈ W_mask − 1.414d(d 为刻蚀深度)


窄开口会刻成自停止的 V 形槽,深度约为 0.707 × 开口宽度。


方形开口形成倒金字塔坑;如果开口足够大或刻穿晶圆,就形成薄膜或通孔。

(110) 晶圆


可以得到垂直的 (111) 侧壁,适合刻深而窄的垂直沟槽和高深宽比结构。


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典型工艺参数




参数

常用范围

说明

KOH 浓度

20–40 wt%(常用 30%)

浓度高,表面更光滑,速率略降;浓度低,容易出现小丘(hillock)

温度

60–90 °C(常用 80 °C)

速率随温度呈指数上升,活化能约 0.6 eV,需控温 ±0.5 °C

(100) 刻蚀速率

30% / 80 °C 时约   1–1.4 µm/min

刻穿 500 µm 晶圆约需   6–8 h

添加剂

IPA(异丙醇)

改善表面粗糙度,改变各晶面速率比;会降低速率

搅拌

磁力搅拌或超声

帮助氢气泡脱离,提高均匀性


刻蚀槽一般配回流冷凝器,防止长时间刻蚀中水分蒸发导致浓度漂移。




掩膜材料




LPCVD 氮化硅(Si₃N₄):最佳选择,在 KOH 中几乎不被刻蚀,适合深刻蚀和通孔。

热氧化 SiO₂:可以用,但在 80 °C、30% KOH 中刻蚀速率约每分钟数纳米,选择比只有约几百比一,只适合浅刻蚀,或需要较厚的氧化层。

光刻胶:不能用,会被迅速溶解。


金属:Au/Cr 等可在部分场合使用;Al 会被快速腐蚀。




刻蚀停止方法




1. 定时刻蚀:最简单,但精度受速率波动影响。

2. 重掺硼自停止:硼浓度高于约 2×10¹⁹ cm⁻³ 时,刻蚀速率急剧下降,可做几微米厚的薄膜。


3. 电化学自停止:利用 p-n 结并对 n 区施加偏压使其钝化,可以得到精确厚度的 n 型薄膜,常用于压力传感器。


4. SOI 埋氧层:以 BOX 层作停止层,厚度控制最精确。




标准工艺流程




1. 晶圆清洗:RCA 清洗。

2. 掩膜制备:LPCVD 氮化硅(可加一层薄氧化垫层),或热氧化。


3. 光刻:涂胶、曝光、显影。图形要严格对准晶向参考边,对准偏差会使开口被“扩大”到外接矩形。


4. 掩膜图形化:氮化硅用 RIE,氧化硅用 BOE。


5. 去胶。


6. HF 漂洗:去除开口处的自然氧化层,否则会出现刻蚀延迟或不均匀。


7. KOH 刻蚀:恒温、搅拌、回流,按速率估算时间,中途可取出测量深度。


8. 冲洗:用去离子水充分冲洗。


9. 去除 K⁺ 沾污:做 HCl 清洗(如 RCA SC-2)。K⁺ 是可动离子,会严重影响 MOS 器件,未经处理的晶圆不能进入炉管。


10. 去除掩膜(如需要):热磷酸去氮化硅,HF 去氧化硅。


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