硅(100)晶面各向異性腐蝕的凸角補償方法

郭玉剛， 吳佐飛， 田 雷

(1.中國航發控制系統研究所，江蘇 無錫 214063； 2.中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

在硅壓阻式壓力傳感器芯片研制過程中，根據敏感膜是否帶有背島結構將其分為C型膜和E型膜。在常規的應用條件下，C型膜結構即可滿足大部分要求，但當有高過載、高線性度等特殊要求時，需要在敏感膜上增加背島形成E型結構，起到過載保護以及提高線性度的作用[1，2]。

通常壓阻式壓力芯片以(100)單晶硅為材料，采用表面或體硅微機械加工工藝進行加工，而在體硅微機械工藝中，濕法腐蝕是較早被用于硅基傳感器加工的方法，根據腐蝕液的不同,可分為各向異性腐蝕和各向同性腐蝕。經過多年的驗證與優化，目前仍然廣泛采用的是基于氫氧化鉀(KOH)，四甲基氫氧化銨(TMAH)等堿性腐蝕液的各向異性濕法腐蝕[3，4]。各向異性腐蝕利用單晶硅(100)與(111)晶面上原子排列密度不同，因而在特定腐蝕液中的腐蝕速度不同的特點，在襯底片掩蔽層上開窗口，即可在襯底硅片上加工出硅杯、質量塊、V型槽等結構。在各向異性腐蝕工藝中，具有凸直角結構的質量塊無法通過直角掩模直接獲得，需要考慮削角腐蝕問題。本文針對削角腐蝕問題進行了凸角補償試驗，為研制具有過載保護結構的壓阻式壓力傳感器芯片做技術儲備。

1 凸角補償方法

在(100)硅片KOH各向異性腐蝕中，當有凹角結構時，腐蝕會在(100)晶面與(111)晶面的相交處停止；當有凸角結構時，凸直角掩模下方的硅表面被鉆蝕，形成由〈410〉線段構成的，夾角約為152°的鈍角，出現削角腐蝕現象[5，6]，如圖1所示。實際腐蝕圖形與設計圖形會有較大差異，因此要進行凸角結構的補償。

圖1 硅〈100〉晶面凸角與凹角腐蝕

針對單晶硅各向異性腐蝕的凸角補償問題已有很多研究成果，通常在凸角位置增加三角形、條形或方形等補償結構[7～9]，使得腐蝕液優先腐蝕補償圖形。針對不同配比的腐蝕液采用適當尺寸的補償圖形，可以獲得近乎理想的凸直角結構。以方形補償結構為例，在需要補償的凸角兩側增加疊加的兩個正方形，正方形的邊長a約為腐蝕深度H的2倍[10]，如圖2所示。

圖2 正方形補償結構

正方形補償結構具有補償圖形簡單、尺寸計算簡便等優點，但補償圖形需占據凸角附近較大的區域，比較適合相對孤立的凸角補償。而在凸臺加工時,需要同時針對相鄰的4個凸角進行補償，大大增加了芯片的尺寸。采用正方形補償結構進行凸角補償的實例如圖3所示，圖中所示為凸角補償腐蝕掩模板以及實際補償加工樣件。

圖3 正方形補償結構示例

2 凸角補償方案設計

在一種具有過載保護結構的E型壓阻式壓力傳感器芯片研制過程中，擬采用長方形結構的凸臺保護結構，芯片結構設計如圖4所示。

圖4 E型壓力傳感器芯片結構

由于長方形臺面短邊上的兩個凸角過于接近，不適合采用上述正方形補償方案，因此本文參考長條形補償結構方案[6]進行凸角補償方案設計，方案設計前提條件如下：

1)壓力芯片襯底硅的厚度為525 μm，敏感膜的設計厚度為30 μm，則目標腐蝕深度H為495 μm；

2)KOH腐蝕液濃度為40 %，〈410〉晶向前沿的腐蝕速率與〈100〉晶向的腐蝕速率之比采用典型值2.7，則所需有效補償圖形長度約為1 337 μm；

3)補償圖形的條寬設計為100 μm，滿足0.2～0.4H的要求；

4)確保補償圖形之間以及補償圖形與邊框之間不出現V型尖底。

在上述條件的約束下，設計了有效補償長度為1 233～1 437 μm的九種補償圖形，理論上可滿足腐蝕深度為455～532 μm的凸角補償，設計方案如圖5所示。在壓阻式壓力傳感器芯片應用中，凸臺主要用于過載保護以及提供應力集中區，因此未特別考慮削角比問題。

圖5 凸角補償版

3 實 驗

為驗證設計方案的補償效果，選用厚度為402 μm的N型(100)單晶硅試驗陪片，按下述工藝步驟進行試驗：

1)熱氧化生長二氧化硅(SiO2)；

2)低壓化學氣相沉積(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)淀積氮化硅(Si3N4)；

3)采用凸角補償掩模板進行光刻，并刻蝕Si3N4和SiO2；

4)采用濃度為40 %的KOH溶液進行腐蝕，溫度為80 ℃，腐蝕深度為370 μm，腐蝕完成后測量補償圖形的剩余尺寸，計算〈410〉與〈100〉晶向的腐蝕速率比并觀察補償效果。

腐蝕后的補償結構如圖6所示。

圖6 腐蝕后的補償結構

對腐蝕后的補償圖形進行尺寸測量與分析，得到如下信息：

1)在補償方案1中，〈110〉晶向補償條的設計長度為1 150 μm，經過370 μm深度的腐蝕后，剩余補償條的長度約為137 μm，因此，當KOH腐蝕液濃度為40 %，腐蝕溫度為80 ℃時，〈110〉晶向補償條的橫向腐蝕速率與〈100〉晶向的縱向腐蝕速率比約為2.74，與文獻[6]中采用的數值相當；

2)通過方案2與方案3的對比，可知在〈110〉補償條端頭處附加短的彎頭可以控制補償條腐蝕前沿的形狀；

3)方案4～方案6的有效補償長度分別為1 233，1 333，1 433 μm，方案7～方案9的有效補償長度分別為1 237，1 337，1 437 μm，兩組方案的補償長度基本相同，只是在形狀結構上有差異。經過測量，方案5、方案8剩余的有效補償長度約330 μm，方案6、方案9剩余的有效補償長度約430 μm，可滿足總腐蝕深度為495 μm的腐蝕要求；

4)通過不同晶向間的夾角計算公式[11]可知〈410〉晶向與〈100〉晶向的夾角約為31°，實際測量值約為32°，二者基本吻合。

4 結 論

本文針對單晶硅(100)晶面在KOH腐蝕中的凸角補償問題進行了試驗研究。通過試驗驗證了〈110〉晶向補償條的凸角補償效果，計算得到KOH腐蝕液濃度為40 %，腐蝕溫度為80 ℃時，〈110〉晶向補償條的橫向腐蝕速率與〈100〉晶向的縱向腐蝕速率比約為2.74，并獲得了可以進行495 μm以上腐蝕深度的補償結構方案。相比于雙正方形補償方案，采用〈110〉晶向條形補償結構可以獲得更大的有效補償長度，不僅可以對腐蝕深度較大的凸臺進行補償，而且在一定程度上可以減小芯片的尺寸；另外通過不同方向〈110〉補償條的組合,可對腐蝕前沿的形狀進行控制，得到更接近直角的凸臺結構，適用于E型結構壓力傳感器芯片、加速度計等MEMS器件的研發設計。