MEMS湿法腐蚀工艺和过程.doc

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第8章 MEMS湿法腐蚀工艺和过程
David W. Burns

摘要: 经过光刻胶或硬掩膜窗口进行的湿法化学腐蚀在MEMS器件制造的许多工艺过程中大量存在。本章针对400多种衬底和淀积薄膜的组合介绍了800多种湿法腐蚀配方, 着重介绍了在大学和工业界超净间中常见的实验室用化学品。另外给出了600多个有关选择或开发制造MEMS器件的新配方的文献。也给出了近40个内部整合的材料和腐蚀特性的图表, 方便读者迅速寻找和比较这些配方。有关目标材料和腐蚀特性的缩略语为方便比较都进行了统一。腐蚀速率和对其它材料的腐蚀选择性也给出了。除了重点讨论在MEMS领域常见的硅和其它常见材料外, III-V化合物半导体和更新的材料也有涉及。
本章讨论主题涉及湿法腐蚀原理与过程; 整合湿法腐蚀步骤的工艺方法; 湿法腐蚀过程的评估和开发及侧重安全的设备和向代工厂转移的预期; 氧化物, 氮化物, 硅, 多晶硅, 和锗各向同性腐蚀; 标准金属腐蚀; 非标准绝缘介质, 半导体和金属腐蚀; 光刻胶去除和硅片清洗步骤; 硅化物腐蚀; 塑料和聚合物刻蚀; 硅各向异性刻腐蚀, 体硅和锗硅自停止腐蚀; 电化学腐蚀和自停止; 光助腐蚀和自停止; 薄膜自停止腐蚀; 牺牲层去除; 多孔硅形成; 用于失效分析的层显; 缺陷判定; 针对湿法化学腐蚀的工艺和过程, 给出了几个实际的案例。对器件设计人员和工艺研发人员, 本章提供了一个实际和有价值的指导, 以选择或发展一个对许多类型MEMS和集成MEMS器件的腐蚀。

D．W．Burns
Burns Engineering, San Jose, CA, USA
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8.1引言
很少有微机械化或集成化的器件是在没有进行一些湿法化学处理的情况下开发或制造的。不论器件是否是电气的, 机械的, 电子的, 集成的, 光学的, 光电子学的, 生物的, 聚合的, 微流控的传感器或执行器, 有关这些器件的制造工艺或过程的替换决定将对最终的技术和商业成功有重要影响。这些器件一般在硅衬底、 化合物半导体、 玻璃、 石英、 陶瓷或塑性材料上制造, 可能涉及在这些材料上淀积一层或多层薄膜并光刻和腐蚀。这些层和淀积顺序受工艺和用于开发和制造该器件的工艺单元限制, 随着层数的增长变的越来越复杂和相互影响。
湿法腐蚀是使用液态腐蚀剂系统化的有目的性的移除材料, 在光刻掩膜涂覆后( 一个曝光和显影过的光刻胶) 或者一个硬掩膜( 一个光刻过的抗腐蚀材料) 后紧接该步腐蚀。这个腐蚀步骤之后, 一般采用去离子水漂洗和随后的掩膜材料的移除工艺。湿法腐蚀可替换工艺包括干法刻蚀, 即使用一种或多种低压力的反应气体, 采用RF感应激励后进行反应, 然后再将反应生成的气态物质抽出。非等离子干法刻蚀, 例如双氟化疝或氢氟酸的酸性蒸气腐蚀, 拥有各向同性湿法腐蚀的诸多特性, 该腐蚀一般在一个有限的腔室内完成。
近乎所有IC,MEMS,MOEMS,MST和NEMS类的器件的产生都很可能与一些湿法腐蚀工艺有关。整个工艺流程可被描述为一系列步骤或者序列, 这些湿法腐蚀常见于选择性的去除淀积薄膜的一部分, 剥去诸如硬掩膜和光刻胶等特定的材料, 为以后的加工清洗和准备衬底, 去除牺牲层和部分衬底, 以及形成三维结构。一个湿法腐蚀工序需要考虑如下一些因素, 包括有效的腐蚀剂, 腐蚀选择性, 腐蚀速率, 各向同性腐蚀, 材料的兼容性, 工艺的兼容性, 花费, 设备的可用性, 操作人员的安全, 技术支持和适当的废物处理。
尽管器件设计者, 工艺设计师, 或者制造商在工艺允许的情况下可能偏向使用一个完整的干法处理流程, 可是许多标准的处理步骤例如光刻胶的显影和圆片清洗依然湿法的。与干法刻蚀相比, 湿法腐蚀工序在成本, 速度, 性能发面更有优势。干法刻蚀的仿真还不可用, 如常见的微结构的选择性钻蚀或与晶向相关的腐蚀仿真等。相比湿法腐蚀, 人们可能更倾向于选择干法工艺, 在一个装备好的工艺线或者如果湿法腐蚀效果不好的情况下特别如此。不论怎样, 对湿法加工来说, 其优点是器件能够在相对低成本, 低劳务管理费用或者低的技术支持下开发和制造。考虑到干法刻蚀要求在一个昂贵的等离子区或者RIE腐蚀系统里有长的腐蚀时间, 湿法腐蚀变得特别有吸引力, 需要同时处理整盒圆片( 25片装圆片盒) 或更多的圆片时, 湿法腐蚀在成本和时间上的效益更突出。
不论选择干法还是湿法加工工艺, 总是强烈受到在特定的加工环境下设备的可用性及对开发者有用的工艺限制。成功的设计者, 开发者和制造商几乎总是使用或修改趁手的工艺。除非是必须开发新工艺, 安装新设备, 或者取得新的工艺技能, 一般总是避免额外的需求。理解什么时候要应用干法和湿法这两个工艺而且在可能的情况下使用标准工艺是很重要的。表8.1总结比较湿法和干法刻蚀之间的一般注意事项。

表8.1湿法和干法刻蚀之间一般比较

考虑
干法刻蚀
湿法腐蚀
1
存在腐蚀
高
高
2
腐蚀速率
适中, 可变
高, 可变
3
腐蚀均匀性
适中, 可变
适中, 可变
4
材料选择性
低, 可变
谨慎选择下高
5
圆片产量
适中
高
6
掩膜选择性
适中, 可变
谨慎选择下高
7
使用光刻胶掩膜
高
某些情况下不能用
8
光刻图形分辨率
高
适中
9
背面衬底暴露
低
高
10
腐蚀可靠性
高
适中; 采用自动化可改进
11
腐蚀重复性
高
适中; 采用自动化可改进
12
培训和维护
适中
低
13
操作者暴露于化学品
低
适中
14
单位工艺成本
适中
低
15
设备成本
高
低
16
设施成本
高
低

本章开始对湿法腐蚀的原理及工艺过程等进行了概述, 然后一节讨论湿法腐蚀设施和工艺为本地和远程用户服务的评价和开发应用。接下来的两节介绍在人工和实际部门中采用IC兼容材料和非标准材料的湿法腐蚀工艺, IC兼容材料已经被集成电路制造商普遍接受, 非标准材料可能需要单独或专用设备, 设施, 后处理或其它特殊考虑。其它部分包括硅的各向异性腐蚀和腐蚀自停止, 采用湿法腐蚀液的牺牲层去除, 多孔硅形成, 及分层湿法腐蚀和缺陷测定湿法腐蚀。湿法腐蚀技术和工艺的进一步讨论中能够在许多优秀的书籍和期刊[1-30]中找到。
8.2湿法腐蚀原理和流程架构
在典型的工艺和制造流程中, 半导体和MEMS加工的许多工艺都可归类为淀积, 光刻和腐蚀三类工艺。淀积工艺可能包括某些添加工艺如外延式生长, 电子束蒸发, 溅射, 化学气相沉积( CVD) , 低压化学气相沉积( LPCVD) , 有机金属化学气相沉积法( MOCVD) , 等离子增强化学气相沉积( PECVD) 或者包括其它工艺, 如热氧化或离子注入。光刻工艺一般包括旋涂光刻胶和采用接触对准机, 步进机, 或使用规定的光致抗蚀剂厚度和曝光时间的电子束光刻机系统的曝光。特别在薄膜高度变化大的情况下, 光刻胶厚度和曝光时间可根据需要进行调节, 以确保获得足够的特征线条。腐蚀步骤一般基于等离子体或反应离子刻蚀。在干法刻蚀不可用或对一个特定的腐蚀工艺不恰当时, 能够在流程中引入湿法腐蚀。一般是设计或开发一个MEMS器件时选择一个特定的湿法或干法刻蚀工艺, 尽管当设备升级或转移到另一加工平台时这个选择可能被修改。
如图8.1所示, 对MEMS器件来说, 已经有多种可用的或研制出来的工艺方法, 如完全集成或完全定制的工艺, 半定制或标准的MEMS工艺, 其它已成熟工艺的变种, 多个工艺平台上的工艺单元模块等。完全集成的MEMS流程可基于已建立的CMOS, BiCMOS工艺, 或化合物半导体工艺。完全定制的流程一般是一个专用的工艺, 掩膜次数极少, 主要用于原型, 最初的生产, 或高产量的器件。半定制流程包括面向特定器件的MEMS工艺, 该工艺可能位于集成电路工艺之前或之后, 也可能是圆片级也可能是芯片级。标准MEMS工艺包括可靠的单层和多层多晶工艺, 金属工艺, SOI或LIGA工艺, 以及多用户和多器件工艺。工艺变种包括对已定型工艺相对轻微的调整, 如起始材料的变化, 薄膜厚度或腐蚀深度的微小变化, 从一个标准的流程中消除无关光刻步骤。对于那些愿意将圆片在多个制造平台之间传递的人来说, 工艺单元模块可能在一到多个具有专门加工能力的小工艺平台加工。这些平台在诸如薄膜沉积, 外延生长或离子注入, 光刻和腐蚀, 化学机械抛光, 和后道工艺切割和包装等方面有专长。
如果需要, 完全集成的和标准的MEMS工艺往往提供给用户选择任何腐蚀剂的决定权, 因为这些加工工艺在一个特定的平台中已建立并规范化了。用户可能不知道或不需要知道这些腐蚀工艺的详细信息。一个完全集成的工艺范例是将集成电路工艺与认可的兼容MEMS工艺混合在一起。全定制的MEMS工艺选择湿法和干法刻蚀工艺最自由, 对于早期的器件开发, 器件只需要几个光刻版, 非常高产量的器件特别如此。半定制工艺允许MEMS工艺放在已经制造的有源器件( 即CMOS) 工艺之前, 更多放在之后, 给开发人员选择湿法或干法刻蚀工艺的机会, 以满足特定的薄膜刻蚀的要求。工艺变化可包括对腐蚀步骤进行修改, 以满足薄膜腐蚀的要求。工艺单元的用户在湿法工艺的选择和使用方面最有发言权。

图 8.1 针对MEMS器件的工艺方案, 包括全集成工艺、 对标准集成电路或MEMS工艺的修改、 半定制和全定制工艺、 标准( 如多器件和多用户) MEMS工艺及工艺单元。湿法腐蚀工艺能够由所选工艺方案决定, 对适合标准和全集成工艺的器件特别如此。特殊的湿法腐蚀工艺可能需要选择工艺参数、 半定制、 全定制或工艺单元。

许多公司提供代工服务, 代工范围包括从任何地方单步加工工艺、 工艺模块到成熟的已建立流程。一些较大的代工厂提供MEMS服务, 如有变更, 请参考文献[31]。例如, 用户可能会提交一个CAD设计到外包服务, 该服务能够提供对各种材料的顶部进行多层电镀形成多层金属结构[32]。经过网上搜索, 或与行业专家和代工厂的代表交流能够找到一些提供工艺单元的代工厂。

图8.2 湿法腐蚀选择和开发原则包括: 确定有效性, 显示出重复性和可靠性, 如果可能采用已有工艺, 确保工艺兼容和评估成本

选择湿腐蚀工艺模块需要多方面的考虑, 其中一些如图8.2所示。对特定器件的一般工艺流程开发之后, 腐蚀工艺要进行评估看是否应该是湿法或干法刻蚀。 湿法腐蚀的第一选择原则是, 基于腐蚀选择性, 腐蚀速率, 侧壁上的工艺要求确定候选的腐蚀液或腐蚀工艺的有效性。选择性必须足够高以便在对掩膜材料损伤最小的情况下能刻蚀所想要刻的材料, 而且任何暴露出来的要刻蚀材料必须被刻干净。在可能的情况下, 腐蚀速率应选择在2-5分钟左右完成腐蚀: 腐蚀时间要足够长以便将插入圆片和润湿的影响降到最小, 时间又要足够短, 以保持工作流程恰当和降低工艺单元成本。专用腐蚀, 如牺牲层腐蚀或衬底的各向异性刻蚀, 可能需要几个小时或更长时间。
选择湿法腐蚀时, 侧壁能够是一个重要的考虑因素。湿法腐蚀和干法刻蚀相比, 能显著钻蚀掩膜图案。在湿法腐蚀中, 精细线条, 如相邻线和间隔等可能会完全消失。对暗场掩膜来说, 钻蚀也会导致器件特征尺寸变宽, 影响设计规则, 并在某些情况下限制了芯片尺寸。在某些情况下, 一般用湿法腐蚀产生的斜侧壁是有利的, 它能允许后续薄膜沉积和图案有更好的台阶覆盖。
湿法腐蚀的第二个选择原则是, 可证明重复性, 可靠性, 湿法腐蚀的鲁棒性。举例来说, 一个挑剔的腐蚀工艺要求操作者特别关注, 甚至轻微的腐蚀变化就能够毁掉整个工艺。一个良好的湿法腐蚀工艺必须有过腐蚀的能力, 允许5-15％或以上的过腐蚀余量, 同时对器件性能和产量的影响微乎其微。一个理想的湿法腐蚀有自停止特性的过腐蚀能力, 对其它暴露材料有近无限的选择性。腐蚀工艺的一个更有利的优点是对操作者控制的腐蚀有一个可见的腐蚀终止点和能在线验证被腐蚀薄膜或底膜的薄膜厚度, 这确保了所选材料在目标区域内彻底被腐蚀掉。
湿法腐蚀一般对腐蚀温度, 腐蚀液浓度, 以前的使用量, 腐蚀剂年龄, 腐蚀剂的蒸发或在腐蚀液中的稀释, 腐蚀剂要腐蚀的晶圆数量、 包括基板背面的暴露面积的百分比, 特征尺寸, 薄膜的成分, 薄膜形貌, 退火历史, 表面污染, 表面残留物, 孵化时间, 搅拌, 室内照明, 对每一个可靠的腐蚀工艺控制的认真态度等都敏感。
如果腐蚀太慢; 对其它掩膜材料和衬底的选择性不足; 缺乏均匀性;针对后续衬底加工存在污染问题;产生不想要的化合物; 残留物, 或蚀点; 引起裂缝, 肿胀, 脱皮, 或掩膜层的过度钻蚀; 或需要笨重的存储, 处理, 处理, 安全和设施考虑, 能够考虑取消用该腐蚀液。虽然湿法腐蚀可能提供比干法刻蚀更高的对掩膜材料的选择性, 但她们也可能对膜的组成和退火更敏感。
湿法腐蚀的第三个选择原则是尽可能地使用现有的工艺。加工中心一般都会有某些材料(如二氧化硅)和金属(如铝)的湿法腐蚀能力, 针对所要的薄膜厚度, 能够根据需要适当修改工艺参数。对特定的工艺如衬底的各向异性腐蚀可能有专用的腐蚀槽位。对某些特殊的腐蚀要求, 如广泛使用的牺牲层腐蚀, 聪明的做法是修改现有工艺和设备, 只需实现所需的腐蚀特性。那些已经开发出专用腐蚀液以制造某个器件的人员知道要进行开发, 特性检测和规范化专用腐蚀液需要花费大量的时间和精力。
湿法腐蚀的第四个选择原则是确保与器件加工及要开发器件的加工中心的其它方面的兼容性。经过圆片传递路径或公共承片台和腐蚀槽的圆片操作可能产生的和其它器件, 设备和工艺的交叉污染将对其它器件产生不期望的损害。开发人员需要确保在一个特定的器件工艺流程中后续工艺是兼容的, 要考虑后续淀积工艺的台阶覆盖和光刻胶旋涂, 易碎器件的操作, 切片要求和封装需求。
在考虑到上述湿法腐蚀选择的原则之后如存在多个选项, 下一步就是要考虑开发, 制造和技术转让, 设备和设施的维护, 与地面空间的高度, 工艺控制, 和供应相关的所有成本。使用现有的设施内的已有工艺的成本一般最低, 因为现有工艺腐蚀费用一般是最合理的, 不需要花费额外的资本或开发努力。
那些已经开发或正在开发的半导体或MEMS器件的人认识到加工工序和器件设计之间需要广泛的互动。如果腐蚀工序不能进行调整以达到预期的效果, 针对整个工艺方案的的调整可能会有所帮助。另外, 器件设计能够经常进行调整, 以容纳腐蚀或其它工艺过程的不当限制。
8.2.1表面反应和反应物/副产品传输
腐蚀系统一般由腐蚀烧杯或大小足以垂直地容纳一个或多个圆片的水槽组成, 在一个腐蚀周期中圆片完全浸在腐蚀液中, 如图8.3所示。可包括加热器, 热电偶和搅拌器。水槽往往有用于维持酸/碱中和系统的排水管, 一个专用的氢氟酸收集系统, 或溶剂收集箱。 腐蚀液可用外部的化学品储存设施从腐蚀瓶或永久安装的输送系统倒入水槽。对所用的腐蚀液而言腐蚀槽和液体分布系统是由惰性材料构成的, 如全氟烷基( PFA) , 阻燃聚丙烯( PP) , 高密度聚乙烯( HDPE) , 聚四氟乙烯( PTFE或Teflon[特氟龙]) , 模压聚偏二氟乙烯( PVDF) , 或石英[27, 33]等。不锈钢腐蚀槽偶然也适用于溶剂, 有时也适用于氢氧化钾的腐蚀剂。 PFA腐蚀槽和支架可用于氢氧化钾腐蚀。为了安全和溢出控制, 腐蚀槽可放置在另一个水箱或水槽内。为了保护操作者, 水箱及水槽一般要用安装在湿法工作台上的防溅出的架空废液收集装置连接。

图 8.3 腐蚀槽(a)用于存放腐蚀液, 经常有一个加热器, 热电偶, 搅拌器和用于排出腐蚀剂的阀门。一个单独的漂洗槽(b)允许在晶圆旋转或吹干燥前用去离子水充分地冲洗晶圆。 一个专用的支架或放有包含碳纤维, 聚丙烯, 全氟烷基, 聚四氟乙烯或Teflon[特氟龙], 聚偏氟乙烯, 或石英的PEEK的暗盒( 未画出) , 在腐蚀和冲洗过程中可用于晶圆传输。

湿法工作台上可能有定时器, 灯和风扇开关, 加热控制器, 报警系统, 和一个或多个专用的腐蚀清洗池和漂洗槽。 漂洗槽也有类似的构造而且有丰富的去离子水喷雾或泡沫喷洒在晶圆上, 稀释和去除晶圆上的腐蚀液。 漂洗池在水箱底部可能会有下拉门用来在多个倾倒冲洗周期中迅速排出漂洗水。一些腐蚀工序要求晶圆腐蚀和漂洗要在同一个池中( 即稀释冲洗) , 然而晶圆从腐蚀池到冲洗池一般都是经过手动或自动臂来运送的。晶圆支架或暗盒还必须对腐蚀剂没作用而且一般专用于特定的湿法工作台或腐蚀工艺以避免交叉污染的可能性。
液体腐蚀工艺的通用模型如图8.4所示。当在腐蚀液中的反应物与被腐蚀材料暴露在外的表面化学反应时发生腐蚀, 同时伴随着又重新溶解到腐蚀液中或以气体形式释放的副产品。腐蚀速率受在腐蚀液中反应物的浓度, 扩散到裸露表面的反应物的局部运输, 腐蚀液和正在刻蚀的材料之间的分界面的反应速率, 表面上的反应产物的去除率及在刻蚀池内的反应产物的浓度等多方面影响。
在液固界面的反应更是出奇地复杂。腐蚀可能涉及一个复合的氧化还原反应, 先产生正在被腐蚀的材料的氧化物质, 然后被腐蚀掉让新鲜的材料暴露, 该过程连续进行实现腐蚀。 二次效应可能发生, 有时甚至占据主导地位, 如从一个高深宽比特征的界面或从非润湿掩膜材料上产生的水蒸气壁垒。不需要的副产品, 如盐残余物或在刻蚀表面形成的其它固体构成物, 能产生腐蚀壁垒, 这些壁垒减缓甚至能停止腐蚀。当气泡一直黏着在表面时, 气体的局部演化能产生一个减缓腐蚀速率的微掩膜效应, 从而导致形成粗糙的表面和可能的小丘形状的构成物。当晶圆部分清洗, 然后重新插进伴有不充分的搅拌的腐蚀池中时, 疏忽, 局部腐蚀速率减少等可能会出现带有粘性或低溶解度的腐蚀剂。
为了达到增强腐蚀速率的目的, 往往经过: 增加反应物的浓度, 在高温下进行腐蚀, 使用搅拌器以协助腐蚀流, 改变腐蚀池来得到新的腐蚀液和排出累积的副产品, 并尽量减少可能发生直接接触晶圆的支架或接近另一个晶圆的腐蚀障碍物。一般模型的速率限制方法一般需要确定增强哪项最具影响。尽管经过精心挑选的腐蚀剂和腐蚀剂浓度而得到适度的腐蚀速率, 并在室温下腐蚀往往最方便和最安全, 但增加腐蚀液的温度一般会导致更快的腐蚀。
几乎所有的湿法腐蚀, 包括各向异性腐蚀, 当使用覆光刻胶或有图案特征的硬掩膜层时都存在某钟程度的钻蚀。一个理想的刻蚀, 最好实现方法是干法刻蚀而不是湿法腐蚀, 能够把光刻图形特征转换成具有较高的保真度和最小的特征失真的腐蚀层。湿法腐蚀由于其固有的腐蚀任何暴露的表面的特性, 在底部会以相似的速率腐蚀侧壁。各向同性腐蚀产生一个横向的钻蚀距离, 大小和腐蚀深度相同, 这将产生一个如图8.4所示的有着大约与左手边的侧向图的刻蚀深度相等的曲线。钻蚀能够经过设计补偿掩膜或电子束直写工具上的相应功能的宽度调整的方式来得到补偿。钻蚀问题能够采用具有更垂直和最小横向刻蚀速率的干法刻蚀来代替湿法以减小对精细线条特征的影响。用各向异性材料或各向异性腐蚀剂, 侧壁轮廓变得更加棱角分明。对于各向同性的情况下, 当腐蚀剂腐蚀到底层的腐蚀停止层时, 腐蚀剂会有很少的局部消耗而且横向腐蚀变得更迅速, 这往往能得到平整的侧壁。

图 8.4 经过掩膜层腐蚀到底层腐蚀停止层的液体传输机制示意图。 腐蚀剂中提供的反应物与暴露部分的被刻蚀层不均匀地反应, 导致该被刻蚀层产生一个或更多重新溶解在腐蚀液中或以气体形式释放的副产品。不足的反应物或副产品的过度集中会不规则地减缓腐蚀, 特别是紧凑的几何结构更明显。对大多数薄膜和非晶材料, 反应是各向同性的, 从上表面看显示出圆角, 从侧面侧壁看的腐蚀剖面显示圆形腐蚀坑。当腐蚀到底部的腐蚀停止层, 反应物消耗减小, 横向腐蚀加快, 造成一个更加棱角分明, 更平坦的侧壁。具有高内应力的掩膜层或在上表面具有偏离形貌的腐蚀层将使掩膜层和腐蚀层之间的界面处腐蚀明显加快, 这将有效地加快钻蚀。掩膜层的缺陷可能会导致不必要的局部腐蚀。图示为暗视场的掩膜层; 尽管腐蚀的材料的量一般更大, 亮场掩膜层也会发生类似的影响和现象。

其它现象如高张应力掩膜层可能造成在图形开口附近的掩膜层有轻微的分离, 这将导致在刻蚀过程中掩膜层会有轻微的剥落。这种剥落会加速分界面处的钻蚀和产生如图8.4中心附近的所示浅角度侧面形貌。当长宽比( 相对掩膜厚度的钻蚀距离) 增加时, 压应力掩膜也可能会经过机械屈曲产生抬升, 这进一步增加了腐蚀速率。
横向腐蚀速率能够经过修改腐蚀层的特征的方式加速, 如降低薄膜的顶部或底部的密度, 在顶表面附近产生的高的缺陷密度, 或局部注射高浓度的杂质。在腐蚀较深或在需要广泛的横向腐蚀的情况下, 腐蚀剂可能局部受约束和耗尽, 从而减少局部的刻蚀速率。掩膜层的缺陷, 如小颗粒, 可使腐蚀剂沿颗粒蔓延或经过一个开放的掩膜缺陷明显的移动来不明显地刻蚀底层材料, 示意图如图8.4右侧所示。
8.2.2 腐蚀剂的选择性和掩膜考虑
对湿法腐蚀工艺的选择和评估的一个主要考虑是腐蚀的选择性, 选择性定义为要腐蚀材料的腐蚀速率与掩膜或底层材料的腐蚀速率的比值。虽然能够证明选择比低至1或更小也可用于薄膜腐蚀, 但100或更高的腐蚀选择比是更可取的。尽管由于底层材料在过腐蚀阶段一般只暴露在溶液中很短的时间而很少关注, 在腐蚀过程中针对停止层或其它暴露层的腐蚀选择性也可能有其重要性。正如在图8.5 的图示中描绘的那样, 更高的腐蚀选择性, 一般允许更薄的掩膜层, 更深的腐蚀, 更薄的腐蚀停止层, 以及更好的过腐蚀能力。
腐蚀剂的选择可能要经过掩膜层来决定, 反之亦然。掩膜层阻止腐蚀剂到达覆盖过的表面而且必须在刻蚀的过程中保持住。厚的掩膜层能够增加可实现的刻蚀深度。掩膜层在刻蚀过程中也可能产生一定程度的横向腐蚀。这种掩膜图形的变化能够经过掩护设计时对亮场或暗场掩膜图形自动添加或减去一个合适的数额来补偿。随着时间的推移, 湿法腐蚀剂可能会吸收到掩蔽层中, 使其膨胀, 开裂, 或可能的抬升, 从而在意想不到的区域暴露刻蚀层。必须注意衬底背面的薄膜的状态, 因为这部分以及衬底的边沿一般都直接暴露在腐蚀剂中。经过将光刻胶涂在背面, 在背面放置抗腐蚀保护层或使用在腐蚀过程中能限制背面暴露的专用装置来提供额外的保护。

图 8.5 随着相比掩膜层或腐蚀停止层的腐蚀液的选择比增加, 掩膜厚度能够更薄, 可实现的刻蚀可更深, 刻蚀停止层可更薄, 而且过腐蚀可更长

如图8.6所示, 在恰当的选择抗腐蚀掩膜层时需要考虑许多因素。主要考虑是现有的或标准的工艺对器件来说是否适当。由于建立一个新的腐蚀工序需要考虑成本和时间, 最好的办法一般是采用基于光刻胶的标准腐蚀工艺, 该工艺可能包括如下步骤: 旋转, 预烘, 曝光, 显影, 后烘, 腐蚀, 冲洗, 干燥和去胶。基本的光刻胶工艺一般都是集成电路兼容的, 具有很少的污染风险, 提供更好的分辨率, 相比于那些可能使用初始光刻胶图案和腐蚀工艺形成硬掩膜功能的硬膜工艺来说, 有更好的特征尺寸控制。光刻胶掩蔽工艺, 一旦在加工中心装备, 将降低开发一个新的腐蚀剂的成本。一般光刻胶工艺提供更低的工艺单元成本, 包含较少的工艺步骤, 整个工艺时间较短, 在大多数情况下提供更好的台阶覆盖, 而且在晶圆上旋涂比在晶圆上淀积薄膜来作为硬掩膜层更快。

图 8.6 使用硬掩膜或光刻胶掩膜的考虑和结果表明: 除了需要较高的抗腐蚀能力, 更深的腐蚀, 或衬底背面保护之外, 光刻胶掩膜是一般的选择

在需要的时候光刻胶工艺往往能够按MEMS器件的要求进行修改。例如, 能够用更厚的光刻胶简单的经过放缓旋转速度或选择不同的具有较高的粘度和固体含量的光刻胶的方式来改进台阶覆盖。有时经过增大后烘时间或对负性光刻胶加强UV曝光等方法增强光刻胶掩膜的抗腐蚀特性。在小心的处理和对工艺流程的考虑之后, 光刻胶可能会在晶圆的背面旋涂来提供任何必要的掩蔽或背面保护。类似的, 背面光刻工艺一样能够经过对晶圆正面旋涂光刻胶来提供腐蚀保护和腐蚀期间正面的防划伤保护。
8.2.3直接腐蚀和剥离技术
当一些难以腐蚀的材料, 如贵金属或几种金属层需要光刻的时候可能需要剥离技术, 此时直接腐蚀是不合适的。 剥离技术是首先在衬底基板上形成一个光刻后的光刻胶层, 然后在该图案层直接用诸如电子束蒸发沉积阻挡层金属, 而不是在已经沉积阻挡层金属的圆片上旋涂和光刻光刻胶, 再直接腐蚀( 见图8.7) 。 用某些特定方法剥离光刻胶, 例如在装有溶剂的超声波槽中, 经过超声振动, 所选材料与衬底接触的地方保留, 其余在光刻胶上的浮离或经过冲洗, 刷, 吹等或从衬底除去。由于在剥离前薄的沉积材料在光刻胶侧壁存在, 导致剥离过程中可能会出现边缘锯齿状。改进的的剥离技术使用一种相对较薄的两层抗蚀剂系统, 上层的光刻胶抗抗显影能力强些, 下层抗抗显影能力弱些。 当光刻胶系统曝光及显影, 小的悬浮物出现在下层上方, 这将使后续的溅射或电子束沉积薄膜变窄。请注意, 对剥离工艺来说, 光刻胶图案是反转的( 即用于直接腐蚀正确的亮场掩膜, 在剥离工艺中需要暗场) 或采用负性光刻胶。 另外, 在精心挑选薄膜叠层后也可实现增强的剥离技术。

图 8.7 对某些材料, 剥离技术能够替代直接腐蚀, 因为这些材料难以腐蚀或者腐蚀剂对其它暴露的材料没有足够的选择性。传统的腐蚀, 如( a) 是直接腐蚀暴露的材料, 留下未腐蚀的掩膜材料。一般剥离工艺是将需要被去除的材料放置在形成组成图案的光刻胶顶部而且一起置于衬底上方, 如图( b) 所示, 底下的光刻胶溶解后就不需要直接腐蚀材料了。在光刻胶侧壁或剥离层上的沉积材料已证明难以清除干净, 并可能导致不必要的细线和微粒。在( c) 图中, 增强的剥离工艺有一个复合的光刻胶层, 其中上方薄光刻胶比下层光刻胶对显影剂更抗蚀, 这样, 产生了一个悬浮边界以尽量减少侧壁沉积和提高腐蚀的稳定性。

8.2.4 牺牲层去除
对于直接湿法腐蚀或干法刻蚀来讲, 牺牲层腐蚀是一种特殊的挑战。牺牲层置于结构层下方, 其特征诸如锚区开孔, 凹陷, 侧壁剖面, 薄膜厚度和经过薄膜一步步叠加构造结构层。选择性地去除牺牲层一般经过使用液体腐蚀剂进行大范围的横向钻蚀, 并留下部分或更多的独立的不需要依靠支撑物的部分而完成。牺牲层腐蚀剂对结构层和其它裸露、 需要长时间牺牲腐蚀的材料来讲必须具有极高的选择性。缺乏合适的选择性腐蚀剂将限制可达到的钻蚀距离而且会限制用于结构层的材料选择。
成功的牺牲腐蚀工艺一般有高过腐蚀能力, 使操作者确保能完整去除牺牲层, 并使设计师能将短钻蚀时间和长钻蚀时间结构应用在同一个器件上。牺牲层去除一般在相对短的向下刻蚀后开始大量的横向钻蚀。横向腐蚀一般在平面内所有的方向各向同性。如8.1 节所述, 腐蚀剂会因反应物不足而报废或对许多要腐蚀产品有害, 同时也会减少原来的腐蚀速率。应该放置专门设计的几何图形以便使所有部分结构在几乎相同的时间释放; 然而, 即使钻蚀时间有很大不同, 一个强有力的腐蚀剂, 牺牲层和结构层组合要保证结构形成中的保真度。在腐蚀过程中, 锚定的形状需要保持固定, 牺牲层腐蚀剂不能使结构层从基片分离。腐蚀完成后, 很容易检查的测试结构或器件的功能能够验证腐蚀过程。
用于增强牺牲层腐蚀工艺的性能的方法已能得到加强。例如, 对结构层腐蚀孔设计规则的仔细选择和遵守允许使腐蚀液能够局部接触牺牲层, 减少了彻底释放牺牲层所需的时间。能够选择合适的牺牲层以增加腐蚀速率, 如快速腐蚀双层结构, 在热氧化层上重掺杂淀积的氧化层等。一般的湿法腐蚀特别是牺牲层腐蚀需要考虑晶圆背面以便任何沉积的薄膜保持不变, 不要在牺牲腐蚀过程中剥落。
8.2.5 衬底减薄荷去除
湿法腐蚀常见于减薄或选择性去除衬底材料( 图8.8) , 主要原因是湿法腐蚀能够大量腐蚀材料, 液体腐蚀溶液中浓度很高的反应物远比低压等离子刻蚀系统中的反应物多。均匀的衬底去除和减薄一般由带有化学腐蚀液的物理研磨机制实现, 即化学机械过程快速地去除圆片正面或背面的材料。掩膜图案, 如孔, 通孔, 沟槽, 通道和各向异性腐蚀的薄膜等。圆片减薄或衬底腐蚀一般安排在工艺流程的最后, 因为圆片随着减薄越来越易碎, 而且嵌入的成本越来越高。

图8.8 湿法化学腐蚀能用于( a) 减薄, ( b) 从背面选择性腐蚀, 或( c) 从正面选择性腐蚀。化学机械抛光或平整化( CMP) 将化学腐蚀和机械研磨结合在一起均匀地减薄背面或平整化正面。各向异性腐蚀的薄膜的掩膜图形, 圆片通孔和过孔, 或顶部的槽或通道需要合适的腐蚀掩膜, 可能是湿法腐蚀也可能是干法刻蚀。圆片变得越来越易碎, 在后续的操作或切割芯片时要特别小心。

8.2.6 工艺方案的影响
湿法腐蚀类型的选择对工艺方案有直接的影响。正如图8.9所示, 工艺流程一般总结成一系列的光刻次序, 每一个包含一个淀积步, 一个光刻步, 和一个腐蚀步骤。尽管淀积步清晰地由溅射、 电子束蒸发、 化学气相淀积、 或等离子淀积薄膜组成, 但热氧化、 离子注入或起始材料的获取也包含在此类中。采用光刻版的光刻胶光刻或直写设备对大部分不论是干法还是湿法腐蚀工艺提供了合适的掩膜。尽管硬掩膜也是用光刻胶光刻工艺制作的, 但其能够根据需要获得更好的抗腐蚀能力。在认真审核所选的腐蚀工艺的顺序和类型时, 必须考虑到每一次光刻序列要确保在工艺的早期不要包含非标准材料; 避免那些来自腐蚀槽、 承片夹或腐蚀液本身的污染; 仅在关键的加工工艺完成后才使用受限制的通风柜或其它湿法腐蚀装置; 掩膜材料限定在光刻胶、 标准氧化层、 多晶硅和用作硬掩膜的金属层; 当污染必须考虑时, 结构层限定在标准材料; 腐蚀完成后掩膜材料要容易去除; 所选薄膜厚度必须与后续加工工艺包括光刻胶覆盖等兼容; 薄膜腐蚀掉后的台阶覆盖处不能有残留的细条或颗粒; 不能在总流程中太早产生易碎结构导致圆片操作困难。所有这些说明, 聪明的器件设计者和工艺工程师经常共同工作, 在实现有成本效益的且技术可行的设计和产品目标方面找到平衡。

图8.9 除有例外, 适用于集成电路, 微/纳机电系统, 或集成微/纳机电系统器件的流程能够简化成一系列的掩膜光刻序列, 每个序列包含沉积步骤, 光刻步骤, 和腐蚀步骤。复杂的CMOS和BiCMOS工艺可能有两打或更多掩膜序列, 然而许多仅针对微机械的工艺系统流程掩膜数少于五。每个掩膜光刻序列受前序列影响, 并影响到后续的序列。每个序列的顺序和选择往往是器件设计的一部分。为了达到预期的效果, 流程步骤或设计能够调整。腐蚀序列和其相关的掩膜层和材料层的执行顺序的选择必须考虑许多问题, 包括污染, 薄膜厚度局限性, 正面和背面加工要求, 和衬底操作等。

8.2.7湿法腐蚀工艺的开发
当考虑一个新的湿法腐蚀工艺的开发时: 如果有可能则尽量避免这样做。一个新的腐蚀工艺可能涉及建立新的设施, 安装新设备, 设立新的化学处理和安全规程, 获得购买准证, 决定化学品贮存和废弃处理, 建立培训章程, 执行操作人员的培训, 提供系统维护, 对某些昂贵的圆片有时要花大量的测试时间。修改一个现有的腐蚀工艺, 或最好直接利用现有的腐蚀工艺, 是一个高度推荐的替代方案。在许多已建立的实验室或加工中心, 拥有大量基于光刻胶和硬掩膜的工艺与材料是能够被使用或修改的。硬掩膜有时是必要的, 然而, 尽可能使用光刻胶掩模是最好的考虑方案。
如果需要一个新的腐蚀液或需要修改一个现有的湿法腐蚀工艺, 有关腐蚀工艺和安全考虑的指导准则可从各种信息源头获得, 这些信息源包括手册, 用户指导, 设备手册, 制造商的推荐, 腐蚀剂供应商, 光刻胶制造商, 网络, 大学网站, 出版物, 和从有经验的用户或工艺专家得到的专业知识等。为了建立拥有合适的服务、 充分的通风、 适当的废弃物处理和受控应用的腐蚀实施, 大量的努力是必须的。在加工中心可能需要几个腐蚀操作台, 以适应不同用户和不同工序流程的需求。这个加工中心应提供护目镜, 口罩, 围裙, 在泄漏情况下装备安全程序和化学品处理的泄漏车。无尘化学处理工作台上配备合适的烧杯, 大容器, 支架和片盒等用于控制污染的专用实验室器皿。尽管其它材料也能够充当室温下的腐蚀液装载物, PFA( 可溶性聚四氟乙烯) 、 PTFE( 聚四氟乙烯) 或石英制实验室器皿一般都是最好的选择。虽然希望在室温下开展腐蚀加工, 但也可在加热的容器中或在电热板上的烧杯中的开展腐蚀工艺。湿法腐蚀工艺的开发一般需要消耗大量的晶圆去获得腐蚀材料层和潜在掩膜层的腐蚀速率, 以确定在大量晶圆中对其它材料的选择性, 并开展对腐蚀浓度的变化, 溶液的温度, 和其它变量的敏感性研究。相比溶液, 湿法腐蚀液需要的冲洗量可能需要考核定型。一个流程的传递文稿和操作程序应当被定稿和存档。湿法腐蚀的光敏特性应受到检查, 可能需要在一个有盖容器中操作。可能需要适当搅拌以提高腐蚀均匀性。充分去除光刻胶和硬掩膜的工艺必须得到验证。
如表 8.2 所列, 各种测试设备能够辅助湿法腐蚀的开发和监测。虽然人类裸眼一般不适合鉴别微小光刻图形之间的薄膜是否腐蚀干净, 但训练过的裸眼能够有效地看到许多类似闪亮的金属薄膜的腐蚀是否完成。经过临时取出腐蚀液中的晶圆, 操作者能够简单地看到在晶圆的正面或背面大量明显的特征, 观察到在晶圆上的干涉条纹、 颜色或光泽变化, 以确定腐蚀是否完成。临时取出腐蚀的晶圆可观察到疏水性的变化。然而, 过于频繁地取出晶圆检查可能会减缓腐蚀, 并在某些情况下由于晶圆被暴露在空气中时可能出现的表面反应导致腐蚀停止。

表8.2 用于湿法腐蚀工艺开发的测试设备
设备
优点
缺点
1
肉眼
在腐蚀期间可快速检测

使腐蚀减慢

没有中间的清洗和干燥步骤
许多薄膜不适用
允许腐蚀延续
很难区分不完全腐蚀的进展
提供即时验证
需要更大面积的特征进行检查
从腐蚀干净开始能够计时过刻
需要手工操作
采用测试片验证好
难以观测小图案
2
显微镜
容易使用

每次检查前需要清洗和干燥

金属薄膜和高视觉对比薄膜检查效果好
透明薄膜是难以评估
能够检测小的图案
难以检查非常精细的图案
3
带有深度测量的显微镜
深腐蚀检测效果好
视场深度限制导致有限的分辨率
大多数显微镜能够升级
不适用于透明层
4
椭偏仪
非接触式
难以检测小的图形
提供的折射率和厚度
不适合金属薄膜以及多层膜的适用性有限
5
光学薄膜厚度光谱反射计
非接触式
检查前需要清洗和干燥
可重复的定量度量
不适合金属薄膜
适用于结构测试
多层膜的适用性有限
提供的折射率和厚度
6
光学干涉测量的表面形貌仪
非接触式
检查前需要清洗和干燥
宽范围的3-D台阶高度
不适合透明薄膜
适用于测试结构
7
机械表面轮廓仪
相对较低的成本
由于探针接触, 污染问题需要重视
使用光刻图形
要求光刻出图案
8
深度计, 机械式