试验采用湿法刻蚀技术制作硅微v型槽电子科技大学.doc

微机电系统课程实验之三 采用湿法刻蚀技术制作微V型槽 《微机电系统》课程组 编写 电子科技机械电子工程学院 2005年5月 实验名称：采用湿法刻蚀技术制作硅微V形槽 实验目的 理解硅湿法刻蚀加工原理；掌握硅晶体晶向对湿法刻蚀过程、最终形成结构形状的影响规律； 理解微加工工艺流程；通过运用硅湿法刻蚀加工装置、完成其腐蚀实验过程，培养对微加工过程的具体感性认识； 学习微结构测试、分析的相关知识。 实验任务 选择适当硅片，在其上表面上刻蚀平行V型槽阵列，用于某MEMS组装结构。周期350微米，槽宽205微米。槽数量3~5个。 实验原理 硅湿法刻蚀加工原理 硅是各向异性材料，因此对硅的不同晶面将有不同的腐蚀速率，基于这种腐蚀特性，可以在硅衬底上加工出各种不同的微细结构，例如我们将要加工的V型槽。腐蚀剂可分为两类：一类是有机腐蚀剂，例如EPW（乙二胺，邻苯二酸和水按一定比例配成）、联胺；另一类是无机腐蚀剂，例如KOH、NaOH、LiOH、CsOH、NH4OH等等。由于有机腐蚀剂排放的气体有毒，所以我们将考虑采用氢氧化钾溶液作为腐蚀剂。其腐蚀的反应式为： （2-1） 在有乙丙醇（（CH3）2CHOH，缩写为IPA）参与的情况下，其反应式为： （2-2） （2-3） 即首先将硅氧化成含水的硅化物。 （2-4） 由上述反应式可知，KOH首先将Si氧化成含水的硅化合物，然后与IPA反应，形成可溶解的硅络合物，这种络合物不断离开硅的表面。 湿法刻蚀加工中的各向异性与V型槽的形成 (110) (100) (111) 图1 硅晶体的晶面 硅的湿法腐蚀速率与硅晶体的晶面方向有关，这是由硅晶体的各向异性特性得到的。正是硅晶体有此特性，才能制作出各种微细结构。 硅晶体中存在多个晶面，其中较为常用的有三个（目前市场上常见的硅片均是以这三个晶面为衬底）：（100）、（110）、（111）。晶面的相对位置如图1所示。 其中以（100）晶面为衬底的硅片具有以下腐蚀特性：在掩膜上刻出的任一种封闭图形，在经过长时间的腐蚀之后，都会形成〈110〉取向且四侧壁为{111}面的孔腔（注：〈110〉表示与[110]晶向同性质的一系列晶向，{111}表示与（111）晶面同性质的一系列晶向，晶向是晶面的法线），如图2所示。 由Si晶面性质可知，100晶面与111晶面的夹角为54.74°。图3的V型槽结构正是我们希望得到的。 图2 （100）为衬底的硅片腐蚀 图3 硅片上腐蚀出的V型槽结构 （硅片上镀了一层铬作为掩蔽层） 实验步骤 硅片准备 实验前要选择好硅片，要求以100晶面为衬底。在显微镜下判别硅片属于（100）、（110）、（111）晶面基底的哪一种类型（可用显微镜观察背面，若是一些规则的正方形方块，则为100晶面）。 将沉积好二氧化硅薄膜的硅片镀上一层均匀的铬层（厚度约0.2μm），然后严格沿基准面平行的方向（110晶向）切割为小方块。 熟悉湿法刻蚀加工装置 KOH溶液腐蚀硅的速率与KOH的浓度、温度、晶向、有无IPA有关。为保证腐蚀过程中速率的稳定，所采用的湿法腐蚀装置在设计时须作以下考虑： 在腐蚀的化学反应过程中，Si表面的KOH溶液浓度不断变化，所以需要搅拌装置不断的均匀搅动，以保证溶液的浓度稳定性； 高温下产生大量的水蒸气，改变了溶液的浓度，需要冷却回流装置； 需要恒温加热装置，以保持溶液的温度（同时保留温度计插孔）； 反应过程中有气体产生，需保留出气口。 按照以上考虑，设计并制作出用于KOH溶液的腐蚀装置，如图4所示。 熟悉湿法刻蚀加工流程 其工艺流程如图5所示，过程为：用甩胶机镀上一层均匀的光刻胶，用光刻机曝光处理，去铬，去胶，去氧化层，然后用湿法腐蚀装置刻蚀V型槽。 要求观察、了解图5中工艺1到工艺6的操作过程，对于相应的设备仪器形成感性认识。 配腐蚀液 参考教材与参考资料上的配方，配成腐蚀液。 腐蚀 进行具体的腐蚀实验，观察其过程，总结规律，发现其中出现的最主要问题。 测试 学习测试微V型槽几何形状的有关方法，利用台阶仪等仪器得到微V型槽几何参数准确数据。  图5 湿法腐蚀工艺流程 实验内容 设计腐蚀系统配方； 根据实验原理和实验步骤指导内容，动手操作腐蚀实验，记录、分析实验过程； 对微V型槽形状尺寸进行测试，分析实验结果。 思考题 采用（100）基底硅片湿法刻蚀出的微V形槽底部角度数值是多少、如何计算出？若采用（110）、（111）硅片湿法刻蚀，能否得到微V形槽，形状如何？ 实验中所选用的腐蚀液，对比其他腐蚀系统有什么特点？ 设计硅微加工工艺过程的一般程序有何规律？ 实验中作为腐蚀掩蔽层的二氧化硅的变化情况如何？如何更加有效地减小二氧化硅塌边现象对V型