硅片酸腐蝕影響因素的正交實驗

李晶，田原

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

硅片酸腐蝕影響因素的正交實驗

李晶，田原

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

設計了正交實驗，探究了腐蝕溫度、輥筒轉速、鼓泡時間、提臂搖動速率與腐蝕速率和TTV變化的影響；發現酸腐蝕過程中，宜設置適中的溫度、較長的鼓泡時間以保證腐蝕速率和幾何參數。

硅片；酸腐蝕；正交實驗；總厚度偏差

近年來，隨著集成電路、分立器件、MEMS等產業的飛速發展，對硅襯底提出了更高的要求[1]。由于酸腐蝕硅片較堿腐蝕硅片具有更光潔的表面、更低的粗糙度、更低的表面金屬含量和更高的生產效率，越來越受青睞[2-4]。但酸腐蝕工藝相比堿腐蝕，硅片的腐蝕速率和幾何參數更難控制。因此，如何保證酸腐片的TTV(總厚度偏差)變化和腐蝕速率，成為一個值得研究的問題。

本文設計了正交實驗，探究了腐蝕溫度、輥筒轉速、鼓泡時間、提臂搖動速率與腐蝕速率和TTV變化的關系，通過極差分析得到了最優的腐蝕工藝。

1 實驗方法

采用JAC-AWES硅片腐蝕機對硅片進行腐蝕，腐蝕液配比為HNO3∶HF∶CH3COOH=5∶2∶2.5。利用PROFORMA 300測厚儀對硅片進行厚度測試和TTV測試，TTV測試采用5點法，即硅片中心一點，距邊緣6 mm均勻取4點。所用硅片參數為150 mm，N<111>，530 μm，1～20 Ω·cm。

2 實驗內容

實驗選用四因素三水平正交實驗表設計實驗，實驗中酸比例選擇為HNO3∶HF∶CH3COOH= 5∶2∶2.5，腐蝕時間選定為40 s。通過比較腐蝕前與腐蝕后厚度差值和TTV差值以確定腐蝕速率和TTV變化(TTV偏差)。腐蝕速率為腐蝕前后的厚度差比腐蝕時間，TTV偏差為硅片腐蝕后的TTV減去腐蝕前的TTV。實驗參數選擇、實驗數據、各因素腐蝕速率均值與TTV偏差均值以及極差分析分別見表1、表2、表3和表4。

表1 正交實驗的因素與水平

表2 正交實驗數據

表3 正交實驗各因素的腐蝕速率均值與TTV偏差均值

表4 正交實驗的極差分析

根據實驗數據，對速率的影響方面，影響因素由強到弱為：溫度>鼓泡時間，轉速和搖動速率影響不顯著。對TTV偏差的影響方面，影響因素由強到弱為鼓泡時間>溫度>轉速>搖動速率。從實際情況出發，鼓泡時間定為36 s可保證較好的TTV偏差且可保證較高的速率；溫度應選擇25℃，在保證較高速率的同時獲得較好的TTV偏差值；轉速和搖動速率控制在35 r/min和2°/s，以改善酸腐片的TTV偏差值。

從實驗結果可以看出，鼓泡時間對硅片酸腐蝕表面狀況有著較大的影響，這主要是由于鼓泡可以有效改善酸液的循環情況，增加酸液的流動性。在實驗用到的富硝酸腐蝕液中，鼓泡將會增大硅片腐蝕的飽和電流，增加腐蝕速度。同時，較好的酸液流動性可以保證硅片各部分腐蝕速率一致，去除邊緣效應，有效改善硅片幾何參數[5]。

溫度對氧化控制反應的影響比較大，對擴散控制反應的影響比較小。溫度升高，根據阿倫尼烏斯方程，反應速度常數會增大，顯著影響腐蝕速率。如果反應溫度不加以控制，反應溫度會在很短的時間升高，使反應處于失控狀態，因此腐蝕溫度不宜過高。腐蝕過程中，硅片表面存在一個溫度梯度，溫度分布在擴散層內是線性的，其斜率與熱分散的速度有關，這會造成硅片腐蝕過程中內外腐蝕速率差異，從而影響TTV。因為液體黏度和密度隨溫度升高而減小，液體的黏度與溫度成指數關系，而黏度反映了液體的傳輸性質。因此，腐蝕液的溫度能影響動力學阻，也可影響物質傳輸阻，從改善硅片幾何參數的角度而言，應設置適當的溫度在提高酸液流動性的同時，盡量避免腐蝕速率過快[6]。輥筒轉速和抖動速率也對改善酸液流動有一定作用，對腐蝕速率和TTV偏差有一定影響，可有效增加酸液流動性，但從實驗結果來看，其影響較小。

3 結 論

本文設計了正交實驗，探究了腐蝕溫度、輥筒轉速、鼓泡時間、提臂搖動速率與腐蝕速率和TTV變化的影響。根據實驗結果，酸腐過程中，宜設置適中的溫度、較長的鼓泡時間以保證速率和幾何參數。

[1] You B L，Zhang X N，Luo C，et al.Research on Surface Roughness of Acid Etched Silicon Wafers[J].Materials Science Forum，2015，(815)：14-17.

[2] Liu H，Wang Z L.Etching silicon wafer without hydrofluoric acid[J].Applied Physics Letters，2005，87(26)：261913-261913-3.

[3] Yifan Z，Sihai C，Edmond S，et al.Deep Wet Etching in Hydrofluoric Acid，Nitric Acid，and Acetic Acid of Cavities in a Silicon Wafer[J].Japanese Journal of Applied Physics，2013，52(7)：6503-6505.

[4] Tian Y，Yang J，Wang Y B.Study on Thickness Difference of Etched Wafers Measured by Mechanical Method and Capacitance Method Respectively[J].Electronics Process Technology，2016.37(3)：168-170.

[5] Kulkarni M S，Erk H F.Acid-Based Etching of Silicon Wafers：Mass-Transfer and Kinetic Effects[J].Journal of the Electrochemical Society，2000，147(8)：174-176.

[6] An J，Shi Y，Liu Z，et al.The Influence of NH4F on Silicon Etching in HF/HNO3/H2O System[J].Journal of Shanghai Jiaotong University，2008，42(3)：467-470.

The Orthogonal Experiment of Wafer Acid Etching

LI Jing，TIAN Yuan

(The 46thResearch Institute of CETC，Tianjin 300220，China)

An orthogonal experiment was designed to investigate the influences of etching temperature，rolling speed，bubbling time，mechanical arm shaking rate on wafer etching rate and TTV.It was found that in order to ensure the etching rate and geometric parameters，it is necessary to set moderate temperature and longer bubbling time during wafer etching process.

Wafer；Acid etching；Orthogonal experiment；Total thickness variation

TN305.2

A

1004-4507(2017)04-0028-03

2017-04-26