第8章 MEMS湿法腐蚀工艺和过程David W. Burns
摘要：通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。腐蚀速率和对其他材料的腐蚀选择性也给出了。除了重点讨论在MEMS领域常用的硅和其他常用材料外，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
e-mail:dwburns@
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。不管器件是否是电气的，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。这些器件通常在硅衬底、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，通常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，该腐蚀通常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，这些湿法腐蚀常用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，但是许多标准的处理步骤例如光刻胶的显影和圆片清洗仍然湿法的。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，如常用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尤其如此。不管怎样，对湿法加工来说，其优点是器件可以在相对低成本，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。
不管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并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
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，后处理或其他特殊考虑。其他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可以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）或者包括其他工艺，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。尤其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，可以在流程中引入湿法腐蚀。通常是设计或开发一
