氢氧化钾湿法刻蚀

KOH是微纳实验室常见的刻蚀液之一,如单晶硅电池表面绒面话处理、硅片表面V型槽刻蚀、金字塔或者倒金字塔结构刻蚀等应用。

KOH刻蚀硅

我们知道硅的刻蚀速率在不同的温度和刻蚀液浓度下刻蚀速率是不同的,下图1中是在KOH刻蚀100晶面硅片下不同溶液浓度下蚀刻速率随温度(以摄氏度为单位)变化。实验发现,低于 30% KOH 的溶液会产生粗糙蚀刻。现加入异丙醇可使蚀刻速率降低约 20%。

图1 KOH刻蚀100硅衬底刻蚀速率与浓度的关系

下图1中是在KOH刻蚀100晶面硅片下不同溶液浓度下蚀刻速率随温度(以摄氏度为单位)变化。实验发现,低于 30% KOH 的溶液会产生粗糙蚀刻。现加入异丙醇可使蚀刻速率降低约 90%。

图2 KOH刻蚀110硅衬底刻蚀速率与浓度的关系

KOH刻蚀氧化硅和氮化硅

在研究中没有观察到氮化硅在 KOH中的蚀刻。因而,氮化硅蚀刻速率低于每小时 1 纳米。因此可以使用氮化硅用作硅蚀刻的掩模,不需要考虑氮化硅的潜在蚀刻。下图3所示可以观察到二氧化硅在 KOH中明显的蚀刻。但是蚀刻速率比硅慢得多(1-2 个数量级),但在进行深蚀刻时应予以考虑。

图3 KOH刻蚀SiO2在不同浓度和温度下刻蚀速率的变化

下表中可以看出Si和SiO2以及Si和SiN的选择比在不同的刻蚀浓度和温度下的选择比,我们可以据此选择合适的Si刻蚀掩膜。

KOH浓度温度(℃)Si刻蚀速度
(um/h)
选择比SiO2:Si选择比SiN:Si密度
40%Room temp1.39
40%6021 (+/-2)290:1> 25000:11.37
60%Room temp1.21
60% 6025458:1> 25000:11.20
60% 7060349:1> 25000:11.19
60% 8074277:1> 25000:11.18
60% 90120204:1> 25000:11.18

硅的各向异性刻蚀应用

由于 Si 蚀刻速率取决于晶面,因此可以产生各向异性蚀刻。例如,<111> 平面的蚀刻速度比 <100> 平面慢 200 倍。

硅蚀刻速率取决于晶体取向(晶片/设计)、硅掺杂和浴特性(KOH 浴密度和温度)。

图4 Si <100> 蚀刻后获得的典型轮廓

KOH刻蚀湿法台简介

  • 2 个带有加热、循环泵和过滤系统的 KOH 浴锅。最高温度显示在下面的示意图中。
  • 1 次浸 HF 浴(1% HF)以去除天然氧化物。
  • 如果您在洁净室中需要执行更多过程,则需要 1 个中和浴锅(HCl 37%)。
  • 2 个去离子水快速填充冲洗器 (FFR)。
图5 KOH刻蚀湿法台示意图

KOH湿法刻蚀一般操作流程

在湿台上操作需要完整的个人防护设备(PVC 围裙、面罩和长袖手套)。

  1. 开启湿法台加热。
  2. 在开始泵送和加热之前检查室温下的密度:
  3. 使用专用的标记密度计。
  4. 密度应与前表中指示的值相对应。
  5. 如果密度较高,可以加一些水。
  6. 控制完成后,需要对密度计进行冲洗和干燥。
  7. 启动循环泵系统。
  8. 启动加热功率(40% KOH 浴达到 60°C 持续约 1 小时,23% KOH 浴达到 90°C 持续约 2 小时)。
  9. 一旦达到工作温度:
  10. 再次使用专用的标记密度计。
  11. 密度应与前表中指示的值相对应。
  12. 如果密度较高,可以加一些水。
  13. 控制完成后,需要对密度计进行冲洗和干燥。
  14. 您已准备好处理您的晶圆。 当您看到来自 Si 表面的许多气泡时,蚀刻开始(可能需要约 1 分钟才能清除原生 SiO 2。如果您确实需要使用夹头,请向 注意夹头的选择;
  15. 如果处理时间很长(小时),则在浴缸上标明您的姓名、电话号码和预计的处理结束时间。
  16. 时间到了,冲洗晶圆并关闭加热和泵送系统。

金属完全禁止进入中和槽!因此,如果您使用金属夹头,请不要忘记在冲洗后卸下它们。  必须中和以清除钾残留物才能在洁净室继续该过程:

一旦您的晶片/设备在去离子水中蚀刻和冲洗,将您的晶片放入 HCl 37% 浴中 2 小时。

取出晶圆并冲洗干净。

您可以将晶片留在湿台上并贴上标签让它们干燥,或者您可以用 N 2枪吹气。

记得关闭湿法台的加热电源。

图6 Si衬底选择性刻蚀后的图形实物图

文献来源:

  1. https://cleanroom.byu.edu/koh
  2. https://www.epfl.ch/research/facilities/cmi/equipment/etching/plade-six-sigma/

以上我们介绍了Si在KOH的刻蚀行为,也了解了常用于Si选择性刻蚀的特点和掩膜选择,以及一般KOH腐蚀的设备和一般流程。如果您有计划自己完成KOH刻蚀,请详细阅读KOH所使用的材料的MSDS资料,注意个人防护! 

如果,您对上述工艺有任何心得,欢迎您在文章下方留言给我们!了解更多光刻及光刻胶知识库,欢迎关注Litho+wiki,获取更多信息……

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