堿性KOH蝕刻特性的詳細(xì)說明

引言

氫氧化鉀(KOH)是一種用于各向異性濕法蝕刻技術(shù)的堿金屬氫氧化物，是用于硅晶片微加工最常用的硅蝕刻化學(xué)物質(zhì)之一。各向異性蝕刻優(yōu)先侵蝕襯底。也就是說，它們在某些方向上的蝕刻速度比在其他方向上的蝕刻速度快，而各向同性蝕刻(如HF)會向所有方向侵蝕。使用KOH工藝是因為其在制造中的可重復(fù)性和均勻性，同時保持了較低的生產(chǎn)成本。異丙醇(IPA)經(jīng)常添加到溶液中，以改變從{110}壁到{100}壁的選擇性，并提高表面光滑度。

氧化物和氮化物在KOH中都蝕刻緩慢。氧化物可以在KOH蝕刻浴中用作短時間的蝕刻掩模。對于更長的時間，氮化物是更好的掩模，因為它在KOH中蝕刻得更慢。另一種選擇(對許多其他功能有用)是用硼摻雜晶片。這也將降低蝕刻速率，實際上停止富硼硅的蝕刻。

當(dāng)KOH濃度在80℃時達(dá)到18wt%時，蝕刻速率隨著KOH濃度的增加而增加。當(dāng)KOH濃度增加超過18wt%時，蝕刻速率降低。蝕刻過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)就是這種變化的結(jié)果。這將在后面更深入地討論。然而，通常不使用最大蝕刻速率的濃度，因為表面光滑度隨著濃度的增加而提高(明顯高于30%)。Si{100}在KOH中的蝕刻速率可以使用下面的等式來計算:

r =[H2O]4[氫氧化鉀]1/4實驗值(-個/kT)

等式1: {100}蝕刻速率

其中濃度以摩爾/升為單位，k0 = 413米/分鐘*(摩爾/升)-4.25，EA = 0.595電子伏。KOH的密度和分子量分別為2.055克/立方厘米和56.11克/摩爾，水的密度和分子量分別為1.00克/立方厘米和18.02克/摩爾。

使用KOH蝕刻有幾個缺點。最大的問題是蝕刻過程中H2氣泡的產(chǎn)生。這些H2氣泡充當(dāng)了一個偽面具。這增加了粗糙度，并可能損壞微結(jié)構(gòu)。與KOH蝕刻相關(guān)的另一個問題是KOH含有堿離子。KOH是MOS器件的終生殺手。使用KOH的人必須小心不要污染任何其他過程。KOH還會腐蝕鋁，這可能是片上電路的一個問題。

堿性KOH蝕刻特性

I. 各向異性KOH蝕刻速率與取向的關(guān)系

KOH蝕刻的蝕刻速率受到硅的晶體取向的嚴(yán)重影響。這是因為它的各向異性性質(zhì)。下表列出了70?時硅的取向與KOH濃度的關(guān)系。表1直接取自[2]，也在[1]中給出。括號中的數(shù)字是相對于(110)的標(biāo)準(zhǔn)化值。

II. KOH蝕刻速率與成分和溫度的關(guān)系

蝕刻速率隨著溫度的增加而增加；然而，隨著蝕刻速率的增加，會導(dǎo)致不太理想的蝕刻行為。當(dāng)KOH濃度增加超過18wt%時，蝕刻速率降低。這是因為發(fā)生了蝕刻反應(yīng)。當(dāng)強(qiáng)堿，如KOH(含有大量的OH-離子)存在時，硅-硅鍵斷裂。該蝕刻導(dǎo)致Si(OH)4的形成、四個水分子的消耗和兩個氫氣分子的釋放。隨著溶液中水含量的降低，反應(yīng)變得受限[11]。下面是取自[1]的表格，其中硅取向相關(guān)的蝕刻速率與成分百分比、溫度和取向有關(guān)。

蝕刻速率隨著溫度的增加而增加；然而，隨著蝕刻速率的增加，會導(dǎo)致不太理想的蝕刻行為。當(dāng)KOH濃度增加超過18wt%時，蝕刻速率降低。這是因為發(fā)生了蝕刻反應(yīng)。當(dāng)強(qiáng)堿，如KOH(含有大量的OH-離子)存在時，硅-硅鍵斷裂。該蝕刻導(dǎo)致Si(OH)4的形成、四個水分子的消耗和兩個氫氣分子的釋放。隨著溶液中水含量的降低，反應(yīng)變得受限。其中硅取向相關(guān)的蝕刻速率與成分百分比、溫度和取向有關(guān)。

　　審核編輯：湯梓紅