各向異性刻蝕LIGA工藝犧牲層技術(shù)硅的各向同性刻課件

Micro-System

濕法刻蝕技術(shù)a．各向同性刻蝕b．各向異性刻蝕LIGA工藝

犧牲層技術(shù)

Micro-System 1硅的各向同性刻蝕(濕法)濕法刻蝕是微系統(tǒng)中材料去除技術(shù)的一種，尤其在體硅去除上占據(jù)重要地位。硅的濕法刻蝕是先將材料氧化，然后通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使一種或多種氧化物溶解。在同一刻蝕液中，由于混有各種試劑，所以上述兩個(gè)過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的。這種氧化化學(xué)反應(yīng)要求有陽(yáng)極和陰極，而刻蝕過(guò)程沒(méi)有外加電壓，所以半導(dǎo)體表面上的點(diǎn)便作為隨機(jī)分布的局域化陽(yáng)極和陰極。由于局域化電解電池作用，半導(dǎo)體表面發(fā)生了氧化反應(yīng)并引起相當(dāng)大的腐蝕電流(有報(bào)導(dǎo)超過(guò)100A/cm2).每一個(gè)局域化區(qū)(大于原子尺度)在一段時(shí)間內(nèi)既起陽(yáng)極又起陰極作用。如果起陽(yáng)極和起陰極作用的時(shí)間大致相等，就會(huì)形成均勻刻蝕，反之，若兩者的時(shí)間相差很大，則出現(xiàn)選擇性腐蝕。半導(dǎo)體表面的缺陷、腐蝕液溫度和腐蝕液所含的雜質(zhì)，以及半導(dǎo)體-腐蝕液界面的吸附過(guò)程等因素對(duì)腐蝕的選擇性和速率多會(huì)有很大的影響。用于這種化學(xué)腐蝕的試劑很多，但是最常用的是HF-HNO3腐蝕系統(tǒng)，因?yàn)樗梢员苊饨饘匐x子的玷污。硅的各向同性刻蝕(濕法)濕法刻蝕是微系2

各向同性刻蝕的原理

對(duì)于HF、HNO3和H2O(或IPA，即異丙醇)刻蝕液，硅表面的陽(yáng)極反應(yīng)為

Si+2e+>>>Si2+這里e+表示空穴，即Si得到空穴后從原來(lái)的狀態(tài)升到較高的氧化態(tài)。腐蝕液中的水解離反應(yīng)為

H2O==(OH)-+H+Si+與(OH)-接合，成為

Si2++2(OH)->>>Si(OH)2接著Si(OH)2放出H2并形成SiO2,即

Si(OH)2>>>>SiO2+H2由于腐蝕液中存在HF，所以SiO2立即與HF反應(yīng)，反應(yīng)式為

SiO2+6HF>>>H2SiF6+2H2O通過(guò)攪拌可使溶性絡(luò)合物H2SiF6遠(yuǎn)離硅片，因此稱這一反應(yīng)為絡(luò)合化反應(yīng)。顯然，HF的作用在于促進(jìn)陽(yáng)極反應(yīng)，使陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物SiO2溶解掉。不然，所生成的SiO2就會(huì)阻礙硅的電極反應(yīng)。

各向同性刻蝕的原理3HNO3的作用

可見(jiàn)，陽(yáng)極反應(yīng)需要空穴，這可由HNO3在局域陰極處被還原而產(chǎn)生。在HNO2雜質(zhì)存在時(shí)，反應(yīng)按下式進(jìn)行

HNO2+HNO3>>>>N2O4+H2O N2O4=2NO2 2NO2=2NO2-+2e+ 2NO2-+2H+=2HNO2最后式中所產(chǎn)生的HNO2再按第一式反應(yīng)，反應(yīng)生成物則自身促進(jìn)反應(yīng)，因此這是自催化反應(yīng)。第一式反應(yīng)是可逆控制反應(yīng)，故有時(shí)加入含有NO2-的硝酸銨以誘發(fā)反應(yīng)。因?yàn)镹O2-在反應(yīng)中是再生的，所以氧化能力取決于未離解的HNO3的數(shù)量。整個(gè)刻蝕反應(yīng)有一個(gè)孕育期，孕育期間HNO2開(kāi)始自催化，緊接著是HNO2的陰極還原反應(yīng)，它不斷提供空穴參加氧化反應(yīng)。氧化產(chǎn)物在HF中反應(yīng)，形成可溶性絡(luò)合物H2SiF6。所有這些過(guò)程都發(fā)生在單一的腐蝕混合液中，整個(gè)反應(yīng)式為

Si+HNO3+6HF>>>H2SiF6+HNO2+H2O+H2HNO3的作用4溫度等對(duì)各向同性刻蝕的影響

溫度等對(duì)各向同性刻蝕的影響5不同表面取向的襯底(N型，3Ω-cm)在高HNO3區(qū)的幾種配比下，刻蝕速率與溫度的關(guān)系。由于在高HNO3區(qū)化學(xué)反應(yīng)是自催化的，所以有無(wú)外部催化的曲線重合?？梢钥闯?，腐蝕速率隨溫度升高而增大；襯底不同，表面取向?qū)Ωg速率影響甚微，可認(rèn)為是各向同性的刻蝕。由于在高HNO3區(qū)，化學(xué)反應(yīng)受HF的濃度影響，因此HF濃度越高，腐蝕速率越大。不同表面取向的襯底(N型，3Ω-cm)在高HNO3區(qū)的幾種配6高HF區(qū)的刻蝕速率與溫度的關(guān)系。對(duì)于高HF區(qū)，腐蝕速率與襯底取向無(wú)關(guān)，有外部催化較之無(wú)外部催化的刻蝕速率大。在該區(qū)，化學(xué)反應(yīng)受HNO3濃度的影響，HNO3濃度越高，刻蝕速率越大?？涛g速率隨溫度的變化分為兩個(gè)線性段，低溫區(qū)刻蝕速率隨溫度的變化較之高溫區(qū)的變化快。高HF區(qū)的刻蝕速率與溫度的關(guān)系。對(duì)于高HF區(qū)，腐蝕速率與襯底7硅在未稀釋的HF+HNO3系統(tǒng)中的腐蝕速率示于上圖，可見(jiàn)，腐蝕液成分相當(dāng)于電化學(xué)當(dāng)量比時(shí)，腐蝕速率最快，也即在相當(dāng)于68%HF和32%HNO3時(shí)出現(xiàn)最大值，為28um/s。硅在未稀釋的HF+HNO3系統(tǒng)中的腐蝕速率示于上圖，可見(jiàn)，腐8

三角形配方圖的閱讀方法： 所取的點(diǎn)到該成分所在角相對(duì)的三角形邊的距離占三角形高的百分比即為該成分的含量。三角形配方圖的閱讀方法：9各向異性腐蝕 硅的各向異性腐蝕，是指對(duì)硅的不同晶面具有不同的腐蝕速率?；谶@種腐蝕特性，可在硅襯底上加工出各種各樣的微結(jié)構(gòu)。各向異性腐蝕劑一般分為兩類，一類是有機(jī)腐蝕劑，包括EPW（乙二胺)，EDP(鄰苯二酚)和TMAH(四甲基氫氧化氨)等，另一類是無(wú)機(jī)腐蝕劑，即堿性腐蝕液，如KOH，NaOH，LiOH，CsOH和NH4OH等。這兩類腐蝕劑具有非常類似的腐蝕現(xiàn)象，本講重點(diǎn)介紹KOH對(duì)硅的腐蝕特性，其余的僅列出其常用的腐蝕劑配比。鑒于在硅襯底上加工微結(jié)構(gòu)時(shí)，常以SiO2和Si3N4作為掩膜，介紹EPW和KOH對(duì)SiO2的腐蝕特性。各向異性腐蝕10對(duì)于硅的各向異性刻蝕機(jī)制，雖然很早就開(kāi)始研究，但是迄今仍然不十分清楚。早期的研究認(rèn)為，硅不同晶面的懸掛健密度可能在各向異性腐蝕中起主要的作用，如硅單晶{111}是原子密排面，面上自由健少，化學(xué)穩(wěn)定性高，整個(gè)面的刻蝕速度小，而{100}面和{110}面不是密排面，。。。但是{100}面比{111}面的懸掛健密度只大一倍，而實(shí)際上{100}/{111}面的腐蝕速率比約為100:1。顯然，單純依據(jù)懸健密度是不能解釋各向異性腐蝕的機(jī)制的。對(duì)于硅的各向異性刻蝕機(jī)制，雖然很早就開(kāi)始研究11各向異性刻蝕LIGA工藝犧牲層技術(shù)硅的各向同性刻課件12各向異性刻蝕LIGA工藝犧牲層技術(shù)硅的各向同性刻課件13各向異性腐蝕原理----KOH系統(tǒng)

腐蝕原理KOH腐蝕系統(tǒng)常用KOH（氫氧化鉀）、H2O（水）和（CH3）2CHOH（異丙醇，縮寫(xiě)為IPA）的混合液。除KOH外，類似的腐蝕劑還有NaOH，LiOH，CsOH和NH4OH腐蝕劑。早期的研究結(jié)果可用以簡(jiǎn)單說(shuō)明硅在KOH系統(tǒng)中的腐蝕機(jī)制，其腐蝕的反應(yīng)式如下：

KOH+H2O=K++2OH-+H+ Si+2OH-+4H2O=Si（OH）6-2即首先KOH將硅氧化成含水的硅化物。其絡(luò)合反應(yīng)可用下式表示：

Si（OH）6-2+6（CH3）2CHOH=[Si（OC3H7）6]-2+6H2O然后與異丙醇反應(yīng)，形成可溶解的硅絡(luò)合物，這種絡(luò)合物不斷離開(kāi)硅的表面，水的作用是為氧化過(guò)程提供OH-。如果沒(méi)有IPA時(shí)，則反應(yīng)按下式進(jìn)行：

Si+H2O+2KOH=K2SiO3+2H2各向異性腐蝕原理14各向異性刻蝕中凸角問(wèn)題及其對(duì)應(yīng)方法各向異性刻蝕中凸角問(wèn)題及其對(duì)應(yīng)方法15各向異性刻蝕LIGA工藝犧牲層技術(shù)硅的各向同性刻課件16LIGA技術(shù):

LIGA是德文的制版術(shù)Lithographie，電鑄成形Galvanoformung和注塑Abformung的縮寫(xiě)。該工藝在20世紀(jì)80年代初創(chuàng)立于德國(guó)的卡爾斯魯厄原子核研究所，是為制造微噴嘴而開(kāi)發(fā)出來(lái)的。當(dāng)時(shí)LIGA技術(shù)的開(kāi)創(chuàng)者WolfganEhrfeld領(lǐng)導(dǎo)的研究小組曾提出：可以用LIGA制作厚度超過(guò)其長(zhǎng)寬尺寸的各種微型構(gòu)件。例如用它制作出了直徑5μm、厚300μm的鎳質(zhì)構(gòu)件。威斯康星-麥迪遜大學(xué)電氣工程學(xué)教授HenfyGuckel很早也展開(kāi)了LIGA技術(shù)方面的研究，研制出直徑50~200μm、厚度200~300μm的鎳質(zhì)齒輪組，并組裝到一起形成了齒輪系。LIGA技術(shù)所勝任的幾何結(jié)構(gòu)不受材料特性和結(jié)晶方向的限制，可以制造由各種金屬材料如鎳、銅、金、鎳鈷合金以及塑料、玻璃、陶瓷等材料制成的微機(jī)械。因此，較硅材料的加工技術(shù)有了一個(gè)很大的飛躍。LIGA技術(shù)可以制造具有很大縱橫比的平面圖形復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。縱向尺寸可達(dá)數(shù)百微米，最小橫向尺寸為1μm。尺寸精度達(dá)亞微米級(jí)，而且有很高的垂直度，平行度和重復(fù)精度。但其設(shè)備投資很大。

LIGA技術(shù):17LIGA技術(shù)包括以下3個(gè)主要工藝過(guò)程。1．

深層同步輻射X射線光刻

利用同步輻射X射線透過(guò)掩模對(duì)固定于金屬基底上的厚度可高達(dá)幾百微米的X射線抗蝕劑層進(jìn)行曝光。然后將其顯影制成初級(jí)模板，由于被曝光過(guò)的抗蝕制將被顯影除去，所以該模板即為掩模覆蓋下的未曝光部分的抗蝕劑層，它具有與掩模圖形相同的平面幾何圖形。 同步輻射X射線除具有普通X射線所具有的波長(zhǎng)短、分辨率高、穿透力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)外，還具有特定的優(yōu)點(diǎn)，主要包括：幾乎是完全平行的X射線輻射，可進(jìn)行大焦深的曝光，減小了幾何畸變的影響；高輻射強(qiáng)度，比普通X射線強(qiáng)度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，便于利用靈敏度較低但穩(wěn)定性較好的光刻膠來(lái)實(shí)現(xiàn)單層膠工藝；寬的發(fā)射帶譜可以降低Fresnel衍射的影響，有利于獲得高的分辨率，并可根據(jù)掩模材料和抗蝕劑性質(zhì)選用最佳曝光波長(zhǎng)；曝光時(shí)間短，生產(chǎn)率高。 LIGA技術(shù)要求掩模的基底抗輻射能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，掩模體厚。LIGA技術(shù)包括以下3個(gè)主要工藝過(guò)程。182電鑄成形 電鑄成形是根據(jù)電鍍?cè)恚谔ツＩ铣练e相當(dāng)厚度金屬以形成零件的方法。胎模為陰極，要電鑄的金屬作陽(yáng)極。在LIGA技術(shù)中，把初級(jí)模板（抗蝕劑結(jié)構(gòu)）模腔底面上利用電鍍法形成一層鎳或其它金屬層，形成金屬基底作為陰極，所要成形的微結(jié)構(gòu)金屬的供應(yīng)材料（如Ni，Cu，Ag）作為陽(yáng)極。進(jìn)行電鑄，直到電鑄形成的結(jié)構(gòu)剛好把抗蝕劑模板的型腔填滿。而后將它們整個(gè)浸入剝離溶劑中，對(duì)抗蝕劑形成的初級(jí)模板進(jìn)行腐蝕剝離，剩下的金屬結(jié)構(gòu)即為所需求的微結(jié)構(gòu)件。3．

注塑 將電鑄制成的金屬微結(jié)構(gòu)作為二級(jí)模板，將塑性材料注入二級(jí)模板的模腔，形成微結(jié)構(gòu)塑性件，從金屬模中提出。也可用形成的塑性件作為模板再進(jìn)行電鑄，利用LIGA技術(shù)進(jìn)行三維微結(jié)構(gòu)件的批量生產(chǎn)。

2電鑄成形19各向異性刻蝕LIGA工藝犧牲層技術(shù)硅的各向同性刻課件20各向異性刻蝕LIGA工藝犧牲層技術(shù)硅的各向同性刻課件21LIGA產(chǎn)品LIGA產(chǎn)品22LIGA產(chǎn)品LIGA產(chǎn)品23犧牲層技術(shù)犧牲層技術(shù)（SacruficialLayerTechnology）也叫分離層技術(shù)。犧牲層技術(shù)是在硅基板上，用化學(xué)氣相沉積方法成微型部件，在部件周?chē)目障渡咸砣敕蛛x層材料（如SiO2）。最后，以溶解或刻蝕法去除分離層，使微型部件與基板分離，也可以制造與基板略為連接的微機(jī)械，如：微靜電電機(jī)、微齒輪、曲軸和振動(dòng)傳感器的微橋接片等。犧牲層技術(shù)24------理想的犧牲層材料必須滿足要求，膜厚度須生長(zhǎng)在可接受的公差內(nèi)。不均勻的沉積導(dǎo)致表面粗糙或不平整。當(dāng)間縫隙很?。ā?μm）時(shí)，參數(shù)就尤為重要。需要脫開(kāi)時(shí)，犧牲層必須整體地被去除掉。犧牲層的刻蝕選擇率和刻蝕率必須很高，以便使結(jié)構(gòu)的其它部位不被明顯損傷。但實(shí)際在犧牲層的刻蝕中，刻蝕幾百微米的長(zhǎng)窄槽一般卻要花相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。只有非常少的刻蝕系統(tǒng)和材料能滿足這些需要。在硅傳感器中，首選PSG，它們可以在中等復(fù)雜程度的外表面上沉積。PSG可以用40%濃度的HF將其除掉而沒(méi)有影響多晶硅結(jié)構(gòu)。因此，它們更適合于作HF脫離的微結(jié)構(gòu)。有機(jī)膜如聚丙烯和光刻膠也用作犧牲層材料，因?yàn)樗鼈兒苋菀妆谎醯入x子去除。犧牲層經(jīng)常需要從基本傳感區(qū)表面用開(kāi)孔或通道來(lái)去除，可以采用水平或垂直式通道?？涛g液通過(guò)開(kāi)口慢慢穿過(guò)而除去犧牲層。開(kāi)口必須足夠大以便于處理刻蝕液，并縮短刻蝕時(shí)間。在長(zhǎng)窄槽中，擴(kuò)散效應(yīng)會(huì)限制刻蝕率，應(yīng)盡可能采用多處開(kāi)口以縮短刻蝕時(shí)間。

------理想的犧牲層材料必須滿足要求，膜厚度須生長(zhǎng)在可接25如果選擇了濕法刻蝕去除犧牲層材料，或以任何濕法過(guò)程來(lái)脫開(kāi)結(jié)構(gòu)，就必須考慮張力效應(yīng)的影響。當(dāng)液體被去除時(shí)，液體表面張力能向鄰近表面（基片）拉扯，從而使柔性結(jié)構(gòu)的二表面導(dǎo)致接觸，甚至到液體完全去除后，微結(jié)構(gòu)還會(huì)粘在表面上。黏合現(xiàn)象可以用不同方法來(lái)避免。一種方法就是用干法刻蝕來(lái)進(jìn)行脫離，避免任何附加的濕法過(guò)程。這種方法限于高選擇率的等向干法刻蝕和快速擴(kuò)散形式，這是因?yàn)榈入x子不能滲透到犧牲層內(nèi)太遠(yuǎn)的地方。如果濕法刻蝕不可避免，應(yīng)配以干凍和超臨界干燥技術(shù)。干凍時(shí)，漂洗液當(dāng)場(chǎng)冷凍，而后在真空室中升華；在臨界干燥時(shí)，在臨界壓力和溫度下（此時(shí)表面張力為零）將液體去除。黏合現(xiàn)象也可以用降低表面接觸的方法來(lái)避免。一個(gè)簡(jiǎn)單的脫離法是用中間犧牲材料，在初始犧牲層濕法刻蝕工步中用它來(lái)?yè)赋龇蛛x表面。然后，用等離子刻蝕掉中間犧牲層材料，脫出結(jié)構(gòu)來(lái)。另外，采用凹坑表面也有助于減少接觸面積。如果選擇了濕法刻蝕去除犧牲層材料，或以任何濕26各向異性刻蝕LIGA工藝犧牲層技術(shù)硅的各向同性刻課件27壓力傳感器、諧振器、紅外發(fā)射器的加工表面都會(huì)用到型腔的封裝，可以通過(guò)填充小孔來(lái)實(shí)現(xiàn)。最早的封裝技術(shù)是用多晶硅型腔內(nèi)的氧化硅熱反應(yīng)生長(zhǎng)方法。型腔壁上氧化物體積擴(kuò)大會(huì)封閉開(kāi)口。適用于封裝氣密性要求不高的場(chǎng)合僅適用于硅膜結(jié)構(gòu)。型腔還可以用沉積材料來(lái)封裝。它在樣件上涂一層薄膜直到通口封上。封裝可以靠有機(jī)聚酰亞氨離心鑄完成。(無(wú)論是采用反應(yīng)式還是沉積式封裝技術(shù)，型腔內(nèi)都涂上了填充材料。當(dāng)型腔內(nèi)壁的機(jī)械特性有嚴(yán)格要求時(shí)這將是個(gè)問(wèn)題。)犧牲刻蝕技術(shù)形成型腔時(shí)小孔的處理壓力傳感器、諧振器、紅外發(fā)射器的加工表面都會(huì)28各向異性刻蝕LIGA工藝犧牲層技術(shù)硅的各向同性刻課件29各向異性刻蝕LIGA工藝犧牲層技術(shù)硅的各向同性刻課件30調(diào)研工藝—作業(yè)調(diào)研工藝—作業(yè)31各向異性刻蝕LIGA工藝犧牲層技術(shù)硅的各向同性刻課件32各向異性刻蝕LIGA工藝犧牲層技術(shù)硅的各向同性刻課件33典型微系統(tǒng)器件加工工藝過(guò)程加速度傳感器

看animation。光開(kāi)關(guān)

看animation典型微系統(tǒng)器件加工工藝過(guò)程34Micro-System

濕法刻蝕技術(shù)a．各向同性刻蝕b．各向異性刻蝕LIGA工藝

犧牲層技術(shù)

Micro-System 35硅的各向同性刻蝕(濕法)濕法刻蝕是微系統(tǒng)中材料去除技術(shù)的一種，尤其在體硅去除上占據(jù)重要地位。硅的濕法刻蝕是先將材料氧化，然后通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使一種或多種氧化物溶解。在同一刻蝕液中，由于混有各種試劑，所以上述兩個(gè)過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的。這種氧化化學(xué)反應(yīng)要求有陽(yáng)極和陰極，而刻蝕過(guò)程沒(méi)有外加電壓，所以半導(dǎo)體表面上的點(diǎn)便作為隨機(jī)分布的局域化陽(yáng)極和陰極。由于局域化電解電池作用，半導(dǎo)體表面發(fā)生了氧化反應(yīng)并引起相當(dāng)大的腐蝕電流(有報(bào)導(dǎo)超過(guò)100A/cm2).每一個(gè)局域化區(qū)(大于原子尺度)在一段時(shí)間內(nèi)既起陽(yáng)極又起陰極作用。如果起陽(yáng)極和起陰極作用的時(shí)間大致相等，就會(huì)形成均勻刻蝕，反之，若兩者的時(shí)間相差很大，則出現(xiàn)選擇性腐蝕。半導(dǎo)體表面的缺陷、腐蝕液溫度和腐蝕液所含的雜質(zhì)，以及半導(dǎo)體-腐蝕液界面的吸附過(guò)程等因素對(duì)腐蝕的選擇性和速率多會(huì)有很大的影響。用于這種化學(xué)腐蝕的試劑很多，但是最常用的是HF-HNO3腐蝕系統(tǒng)，因?yàn)樗梢员苊饨饘匐x子的玷污。硅的各向同性刻蝕(濕法)濕法刻蝕是微系36

各向同性刻蝕的原理

對(duì)于HF、HNO3和H2O(或IPA，即異丙醇)刻蝕液，硅表面的陽(yáng)極反應(yīng)為

Si+2e+>>>Si2+這里e+表示空穴，即Si得到空穴后從原來(lái)的狀態(tài)升到較高的氧化態(tài)。腐蝕液中的水解離反應(yīng)為

H2O==(OH)-+H+Si+與(OH)-接合，成為

Si2++2(OH)->>>Si(OH)2接著Si(OH)2放出H2并形成SiO2,即

Si(OH)2>>>>SiO2+H2由于腐蝕液中存在HF，所以SiO2立即與HF反應(yīng)，反應(yīng)式為

SiO2+6HF>>>H2SiF6+2H2O通過(guò)攪拌可使溶性絡(luò)合物H2SiF6遠(yuǎn)離硅片，因此稱這一反應(yīng)為絡(luò)合化反應(yīng)。顯然，HF的作用在于促進(jìn)陽(yáng)極反應(yīng)，使陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物SiO2溶解掉。不然，所生成的SiO2就會(huì)阻礙硅的電極反應(yīng)。

各向同性刻蝕的原理37HNO3的作用

可見(jiàn)，陽(yáng)極反應(yīng)需要空穴，這可由HNO3在局域陰極處被還原而產(chǎn)生。在HNO2雜質(zhì)存在時(shí)，反應(yīng)按下式進(jìn)行

HNO2+HNO3>>>>N2O4+H2O N2O4=2NO2 2NO2=2NO2-+2e+ 2NO2-+2H+=2HNO2最后式中所產(chǎn)生的HNO2再按第一式反應(yīng)，反應(yīng)生成物則自身促進(jìn)反應(yīng)，因此這是自催化反應(yīng)。第一式反應(yīng)是可逆控制反應(yīng)，故有時(shí)加入含有NO2-的硝酸銨以誘發(fā)反應(yīng)。因?yàn)镹O2-在反應(yīng)中是再生的，所以氧化能力取決于未離解的HNO3的數(shù)量。整個(gè)刻蝕反應(yīng)有一個(gè)孕育期，孕育期間HNO2開(kāi)始自催化，緊接著是HNO2的陰極還原反應(yīng)，它不斷提供空穴參加氧化反應(yīng)。氧化產(chǎn)物在HF中反應(yīng)，形成可溶性絡(luò)合物H2SiF6。所有這些過(guò)程都發(fā)生在單一的腐蝕混合液中，整個(gè)反應(yīng)式為

Si+HNO3+6HF>>>H2SiF6+HNO2+H2O+H2HNO3的作用38溫度等對(duì)各向同性刻蝕的影響

溫度等對(duì)各向同性刻蝕的影響39不同表面取向的襯底(N型，3Ω-cm)在高HNO3區(qū)的幾種配比下，刻蝕速率與溫度的關(guān)系。由于在高HNO3區(qū)化學(xué)反應(yīng)是自催化的，所以有無(wú)外部催化的曲線重合?？梢钥闯?，腐蝕速率隨溫度升高而增大；襯底不同，表面取向?qū)Ωg速率影響甚微，可認(rèn)為是各向同性的刻蝕。由于在高HNO3區(qū)，化學(xué)反應(yīng)受HF的濃度影響，因此HF濃度越高，腐蝕速率越大。不同表面取向的襯底(N型，3Ω-cm)在高HNO3區(qū)的幾種配40高HF區(qū)的刻蝕速率與溫度的關(guān)系。對(duì)于高HF區(qū)，腐蝕速率與襯底取向無(wú)關(guān)，有外部催化較之無(wú)外部催化的刻蝕速率大。在該區(qū)，化學(xué)反應(yīng)受HNO3濃度的影響，HNO3濃度越高，刻蝕速率越大?？涛g速率隨溫度的變化分為兩個(gè)線性段，低溫區(qū)刻蝕速率隨溫度的變化較之高溫區(qū)的變化快。高HF區(qū)的刻蝕速率與溫度的關(guān)系。對(duì)于高HF區(qū)，腐蝕速率與襯底41硅在未稀釋的HF+HNO3系統(tǒng)中的腐蝕速率示于上圖，可見(jiàn)，腐蝕液成分相當(dāng)于電化學(xué)當(dāng)量比時(shí)，腐蝕速率最快，也即在相當(dāng)于68%HF和32%HNO3時(shí)出現(xiàn)最大值，為28um/s。硅在未稀釋的HF+HNO3系統(tǒng)中的腐蝕速率示于上圖，可見(jiàn)，腐42

三角形配方圖的閱讀方法： 所取的點(diǎn)到該成分所在角相對(duì)的三角形邊的距離占三角形高的百分比即為該成分的含量。三角形配方圖的閱讀方法：43各向異性腐蝕 硅的各向異性腐蝕，是指對(duì)硅的不同晶面具有不同的腐蝕速率?；谶@種腐蝕特性，可在硅襯底上加工出各種各樣的微結(jié)構(gòu)。各向異性腐蝕劑一般分為兩類，一類是有機(jī)腐蝕劑，包括EPW（乙二胺)，EDP(鄰苯二酚)和TMAH(四甲基氫氧化氨)等，另一類是無(wú)機(jī)腐蝕劑，即堿性腐蝕液，如KOH，NaOH，LiOH，CsOH和NH4OH等。這兩類腐蝕劑具有非常類似的腐蝕現(xiàn)象，本講重點(diǎn)介紹KOH對(duì)硅的腐蝕特性，其余的僅列出其常用的腐蝕劑配比。鑒于在硅襯底上加工微結(jié)構(gòu)時(shí)，常以SiO2和Si3N4作為掩膜，介紹EPW和KOH對(duì)SiO2的腐蝕特性。各向異性腐蝕44對(duì)于硅的各向異性刻蝕機(jī)制，雖然很早就開(kāi)始研究，但是迄今仍然不十分清楚。早期的研究認(rèn)為，硅不同晶面的懸掛健密度可能在各向異性腐蝕中起主要的作用，如硅單晶{111}是原子密排面，面上自由健少，化學(xué)穩(wěn)定性高，整個(gè)面的刻蝕速度小，而{100}面和{110}面不是密排面，。。。但是{100}面比{111}面的懸掛健密度只大一倍，而實(shí)際上{100}/{111}面的腐蝕速率比約為100:1。顯然，單純依據(jù)懸健密度是不能解釋各向異性腐蝕的機(jī)制的。對(duì)于硅的各向異性刻蝕機(jī)制，雖然很早就開(kāi)始研究45各向異性刻蝕LIGA工藝犧牲層技術(shù)硅的各向同性刻課件46各向異性刻蝕LIGA工藝犧牲層技術(shù)硅的各向同性刻課件47各向異性腐蝕原理----KOH系統(tǒng)

腐蝕原理KOH腐蝕系統(tǒng)常用KOH（氫氧化鉀）、H2O（水）和（CH3）2CHOH（異丙醇，縮寫(xiě)為IPA）的混合液。除KOH外，類似的腐蝕劑還有NaOH，LiOH，CsOH和NH4OH腐蝕劑。早期的研究結(jié)果可用以簡(jiǎn)單說(shuō)明硅在KOH系統(tǒng)中的腐蝕機(jī)制，其腐蝕的反應(yīng)式如下：

KOH+H2O=K++2OH-+H+ Si+2OH-+4H2O=Si（OH）6-2即首先KOH將硅氧化成含水的硅化物。其絡(luò)合反應(yīng)可用下式表示：

Si（OH）6-2+6（CH3）2CHOH=[Si（OC3H7）6]-2+6H2O然后與異丙醇反應(yīng)，形成可溶解的硅絡(luò)合物，這種絡(luò)合物不斷離開(kāi)硅的表面，水的作用是為氧化過(guò)程提供OH-。如果沒(méi)有IPA時(shí)，則反應(yīng)按下式進(jìn)行：

Si+H2O+2KOH=K2SiO3+2H2各向異性腐蝕原理48各向異性刻蝕中凸角問(wèn)題及其對(duì)應(yīng)方法各向異性刻蝕中凸角問(wèn)題及其對(duì)應(yīng)方法49各向異性刻蝕LIGA工藝犧牲層技術(shù)硅的各向同性刻課件50LIGA技術(shù):

LIGA是德文的制版術(shù)Lithographie，電鑄成形Galvanoformung和注塑Abformung的縮寫(xiě)。該工藝在20世紀(jì)80年代初創(chuàng)立于德國(guó)的卡爾斯魯厄原子核研究所，是為制造微噴嘴而開(kāi)發(fā)出來(lái)的。當(dāng)時(shí)LIGA技術(shù)的開(kāi)創(chuàng)者WolfganEhrfeld領(lǐng)導(dǎo)的研究小組曾提出：可以用LIGA制作厚度超過(guò)其長(zhǎng)寬尺寸的各種微型構(gòu)件。例如用它制作出了直徑5μm、厚300μm的鎳質(zhì)構(gòu)件。威斯康星-麥迪遜大學(xué)電氣工程學(xué)教授HenfyGuckel很早也展開(kāi)了LIGA技術(shù)方面的研究，研制出直徑50~200μm、厚度200~300μm的鎳質(zhì)齒輪組，并組裝到一起形成了齒輪系。LIGA技術(shù)所勝任的幾何結(jié)構(gòu)不受材料特性和結(jié)晶方向的限制，可以制造由各種金屬材料如鎳、銅、金、鎳鈷合金以及塑料、玻璃、陶瓷等材料制成的微機(jī)械。因此，較硅材料的加工技術(shù)有了一個(gè)很大的飛躍。LIGA技術(shù)可以制造具有很大縱橫比的平面圖形復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)?？v向尺寸可達(dá)數(shù)百微米，最小橫向尺寸為1μm。尺寸精度達(dá)亞微米級(jí)，而且有很高的垂直度，平行度和重復(fù)精度。但其設(shè)備投資很大。

LIGA技術(shù):51LIGA技術(shù)包括以下3個(gè)主要工藝過(guò)程。1．

深層同步輻射X射線光刻

利用同步輻射X射線透過(guò)掩模對(duì)固定于金屬基底上的厚度可高達(dá)幾百微米的X射線抗蝕劑層進(jìn)行曝光。然后將其顯影制成初級(jí)模板，由于被曝光過(guò)的抗蝕制將被顯影除去，所以該模板即為掩模覆蓋下的未曝光部分的抗蝕劑層，它具有與掩模圖形相同的平面幾何圖形。 同步輻射X射線除具有普通X射線所具有的波長(zhǎng)短、分辨率高、穿透力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)外，還具有特定的優(yōu)點(diǎn)，主要包括：幾乎是完全平行的X射線輻射，可進(jìn)行大焦深的曝光，減小了幾何畸變的影響；高輻射強(qiáng)度，比普通X射線強(qiáng)度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，便于利用靈敏度較低但穩(wěn)定性較好的光刻膠來(lái)實(shí)現(xiàn)單層膠工藝；寬的發(fā)射帶譜可以降低Fresnel衍射的影響，有利于獲得高的分辨率，并可根據(jù)掩模材料和抗蝕劑性質(zhì)選用最佳曝光波長(zhǎng)；曝光時(shí)間短，生產(chǎn)率高。 LIGA技術(shù)要求掩模的基底抗輻射能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，掩模體厚。LIGA技術(shù)包括以下3個(gè)主要工藝過(guò)程。522電鑄成形 電鑄成形是根據(jù)電鍍?cè)恚谔ツＩ铣练e相當(dāng)厚度金屬以形成零件的方法。胎模為陰極，要電鑄的金屬作陽(yáng)極。在LIGA技術(shù)中，把初級(jí)模板（抗蝕劑結(jié)構(gòu)）模腔底面上利用電鍍法形成一層鎳或其它金屬層，形成金屬基底作為陰極，所要成形的微結(jié)構(gòu)金屬的供應(yīng)材料（如Ni，Cu，Ag）作為陽(yáng)極。進(jìn)行電鑄，直到電鑄形成的結(jié)構(gòu)剛好把抗蝕劑模板的型腔填滿。而后將它們整個(gè)浸入剝離溶劑中，對(duì)抗蝕劑形成的初級(jí)模板進(jìn)行腐蝕剝離，剩下的金屬結(jié)構(gòu)即為所需求的微結(jié)構(gòu)件。3．

注塑 將電鑄制成的金屬微結(jié)構(gòu)作為二級(jí)模板，將塑性材料注入二級(jí)模板的模腔，形成微結(jié)構(gòu)塑性件，從金屬模中提出。也可用形成的塑性件作為模板再進(jìn)行電鑄，利用LIGA技術(shù)進(jìn)行三維微結(jié)構(gòu)件的批量生產(chǎn)。

2電鑄成形53各向異性刻蝕LIGA工藝犧牲層技術(shù)硅的各向同性刻課件54各向異性刻蝕LIGA工藝犧牲層技術(shù)硅的各向同性刻課件55LIGA產(chǎn)品LIGA產(chǎn)品56LIGA產(chǎn)品LIGA產(chǎn)品57犧牲層技術(shù)犧牲層技術(shù)（SacruficialLayerTechnology）也叫分離層技術(shù)。犧牲層技術(shù)是在硅基板上，用化學(xué)氣相沉積方法成微型部件，在部件周?chē)目障渡咸砣敕蛛x層材料（如SiO2）。最后，以溶解或刻蝕法去除分離層，使微型部件與基板分離，也可以制造與基板略為連接的微機(jī)械，如：微靜電電機(jī)、微齒輪、曲軸和振動(dòng)傳感器的微橋接片等。犧牲層技術(shù)58------理想的犧牲層材料必須滿足要求，膜厚度須生長(zhǎng)在可接受的公差內(nèi)。不均勻的沉積導(dǎo)致表面粗糙或不平整。當(dāng)間縫隙很?。ā?μm）時(shí)，參數(shù)就尤為重要。需要脫開(kāi)時(shí)，犧牲層必須整體地被去除掉。犧牲層的刻蝕選擇率和刻蝕率必須很高，以便使結(jié)構(gòu)的其它部位不被明顯損傷。但實(shí)際在犧牲層的刻蝕中，刻蝕幾百微米的長(zhǎng)窄槽一般卻要花相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。只有非常少的刻蝕