專利名稱：一種硅濕法刻蝕工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于刻蝕掩模技術(shù)，具體涉及一種硅濕法刻蝕工藝。
背景技術(shù)：
濕法刻蝕的核心工藝是選擇性刻蝕，即利用掩模層和基底在刻蝕液中刻蝕速率相差很大的特點(diǎn)，在基底上得到需要的圖形。因此，掩模層的制作是實(shí)現(xiàn)濕法的重要工藝環(huán)節(jié)。
目前硅的濕法刻蝕中比較常見的掩模材料是SiO2(二氧化硅)和Si3N4(氮化硅)，而刻蝕液一般使用的是濃堿，如KOH等。使用SiO2(二氧化硅)和Si3N4(氮化硅)作為刻蝕掩膜，存在著一些問題，使得刻蝕的效果不是很好。因此，有必要尋找一種新的掩膜材料，并制定出相應(yīng)的方案。
SiO2薄膜掩模對(duì)KOH刻蝕液的選擇性不是很好，一般熱生長(zhǎng)的SiO2在50℃的KOH溶液中與硅的刻蝕速率之比大約為1∶100，而熱生長(zhǎng)形成的SiO2薄膜是各種SiO2膜中對(duì)KOH抗蝕性最好的。因此，SiO2掩模只能用于淺層的硅濕法刻蝕中；而且對(duì)SiO2的加工通常使用毒性較大的HF(氫氟酸)，對(duì)環(huán)境和人體都有一定的危險(xiǎn)性。
Si3N4掩模在KOH中的刻蝕速率極小，所以其選擇性很好。但是Si3N4與硅的熱膨脹系數(shù)相差較大，其薄膜在硅片上會(huì)出現(xiàn)裂紋，甚至脫落，根本不能起到掩模層的作用。因此，必須采用以SiO2層為中介層，先在硅圓片上生長(zhǎng)一層SiO2，然后再低溫沉積Si3N4，才能保證Si3N4掩模在刻蝕液中牢固可靠。而且，Si3N4的濕法刻蝕方法很復(fù)雜，一般只能使用RIE(反應(yīng)離子刻蝕)，工藝比較復(fù)雜，對(duì)設(shè)備要求高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種硅濕法刻蝕工藝，該工藝具有毒性小，加工簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
本發(fā)明提供的一種硅濕法刻蝕工藝，其步驟包括(1)、在潔凈的硅片上濺射Cr膜，Cr膜厚度為50nm～600nm；(2)、在Cr掩膜上，利用光刻工藝制備圖形；(3)、在(NH4)2Ce(NO3)5溶液中對(duì)Cr掩模層進(jìn)行刻蝕，(NH4)2Ce(NO3)5溶液的成分配比為每100ml的刻蝕液中，硝酸鈰銨為5克～20克，高氯酸為1.5毫升～8毫升，余量為水；(4)、使用KOH溶液對(duì)刻蝕后的硅片進(jìn)行濕法刻蝕，(5)、使用(NH4)2Ce(NO3)5刻蝕液，去除硅片上的Cr掩膜層。
本發(fā)明使用金屬Cr做掩模材料，具體而言，具有以下技術(shù)效果(1)、Cr與硅材料結(jié)合緊密，常用于在硅基底上沉積其他金屬材料的中間層，因此能在濕法刻蝕時(shí)保證足夠的牢固性。
(2)Cr的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)強(qiáng)堿的抵抗性好，在KOH刻蝕液中幾乎不反應(yīng)，因此Cr掩模在KOH刻蝕液中的選擇性非常好。
(3)、Cr在(NH4)2Ce(NO3)5(硝酸鈰銨)溶液中能迅速溶解，同時(shí)(NH4)2Ce(NO3)5溶液不能刻蝕硅，而且基本無毒，對(duì)環(huán)境無害。因此可以利用(NH4)2Ce(NO3)5對(duì)Cr掩模進(jìn)行圖形加工。
(4)、可以利用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)將模版圖形轉(zhuǎn)移到Cr掩模層上，工藝簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備沒有特殊的要求。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)比結(jié)果如下表1各種掩模材料特性對(duì)比

綜上所述，本發(fā)明具有毒性小，加工工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，將極大地降低濕法刻蝕的生產(chǎn)成本，顯著地提高生產(chǎn)效率。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；圖2為30分鐘刻蝕坑槽SEM圖(邊長(zhǎng)4μm)；圖3為30分鐘刻蝕坑槽SEM圖(邊長(zhǎng)40μm)；圖4為60分鐘刻蝕坑槽SEM圖。
圖5為Cr膜中心剝落的形貌圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明工藝流程如圖1所示。對(duì)Cr掩模的圖形加工利用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝首先將需要在硅片上刻蝕的圖形制成模版，涂附光刻膠后進(jìn)曝光顯影。接著在刻蝕液中對(duì)Cr掩模層進(jìn)行刻蝕。采用硝酸鈰銨、70％高氯酸和水混合配成(NH4)2Ce(NO3)5刻蝕液，每100ml刻蝕液中，硝酸鈰銨的含量為5克～20克，高氯酸的含量為1.5毫升～8毫升，其余為水?？涛g中，光刻膠可以保護(hù)所需要保留的圖形，將模版上的圖形轉(zhuǎn)移到Cr掩模層上，最后，對(duì)帶掩模層的硅片進(jìn)行KOH濕法刻蝕。
在工藝流程方面，對(duì)Cr掩模的圖形加工是利用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝首先將需要在硅片上刻蝕的圖形制成模版，涂附光刻膠后進(jìn)曝光顯影。接著溶液中對(duì)Cr掩模層進(jìn)行刻蝕，利用光刻膠保護(hù)需要保留的圖形，將模版上的圖形轉(zhuǎn)移到Cr掩模層上，最后，對(duì)帶掩模層的硅片進(jìn)行KOH濕法刻蝕。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)在于在硅濕法刻蝕工藝中使用Cr作為掩模材料，并使用(NH4)2Ce(NO3)5、高氯酸和水的混合液作為刻蝕液。
實(shí)例1a實(shí)驗(yàn)過程1、清潔Si片；2、制備濺射Cr膜，厚度200nm，濺射裝置為ANELVA公司的高頻磁控濺射系統(tǒng)；
3、在Cr掩膜上，利用光刻工藝制備圖形，即將需要在硅圓片上刻蝕的圖形制成模版，涂附光刻膠后進(jìn)曝光顯影；4、在(NH4)2Ce(NO3)5刻蝕液中對(duì)Cr掩模層進(jìn)行刻蝕，利用光刻膠保護(hù)需要保留的圖形，將模版上的圖形轉(zhuǎn)移到Cr掩模層上。(NH4)2Ce(NO3)5溶液只會(huì)與未受光刻膠保護(hù)的Cr發(fā)生反應(yīng)，而與光刻膠和Si均不反應(yīng)。每100ml(NH4)2Ce(NO3)5刻蝕液中，硝酸鈰銨的含量為15克，高氯酸的含量為5毫升，其余為水。
5、模層的硅圓片使用KOH進(jìn)行濕法刻蝕，使用的是濃KOH溶液(KOHH2O＝50g100ml)。濕法刻蝕系統(tǒng)在HHS-1型水浴器中進(jìn)行50℃的恒溫加熱，溫控精度±1℃。使用的硅圓片Φ100mm，N型，厚度≥510μm，電阻率3Ω·cm，晶向<100>。
6、使用(NH4)2Ce(NO3)5刻蝕液將Cr掩膜層去除。
b試驗(yàn)結(jié)果如圖2的SEM圖形所示，經(jīng)過了30分鐘的刻蝕，邊長(zhǎng)4μm的正方形坑槽已經(jīng)腐蝕出了倒金字塔型結(jié)構(gòu)，而且塔尖已經(jīng)出現(xiàn)。根據(jù)單晶硅濕法刻蝕的特點(diǎn)，倒金字塔的四壁應(yīng)該是<111>晶向面，與<100>晶向面呈53.7°的傾角。圖3的坑槽邊長(zhǎng)為40μm，<111>面在<100>平面的投影大約是15μm，那么可以推導(dǎo)出此時(shí)深度大約為15×tan53.7°＝20.42μm。經(jīng)過臺(tái)階儀的測(cè)量，此時(shí)刻蝕深度為21.74μm；而圖4是刻蝕60分鐘后的坑槽SEM圖，<111>面在<100>平面的投影大約是28μm，同理可推出，此時(shí)的刻蝕深度為38.12μm，而臺(tái)階儀測(cè)試出的深度為41.01μm。如前文所述，試驗(yàn)所用的刻蝕液為50℃的KOH(KOH∶H2O＝50g∶100ml)，理論上刻蝕速度為一分鐘1μm，60分鐘的刻蝕應(yīng)該能夠刻蝕出深度60μm左右的圖形。試驗(yàn)刻蝕速率與理論有比較大的差距，而是否因?yàn)槭褂肅r掩模使刻蝕速度減慢還有待進(jìn)一步的研究。
坑槽中比較大的白色顆粒可能是未沖洗干凈的KOH結(jié)晶，而絮狀物應(yīng)該是K2SiO3(硅酸鉀)等反應(yīng)生成物，其不溶于有機(jī)溶劑中，又很容易粘附在硅片表面，后續(xù)清洗時(shí)未能將其沖下，干燥后就殘留在坑槽表面。同時(shí)，刻蝕液中未加入IPA(異丙醇)，因此刻蝕表面不太光滑。
實(shí)例2a實(shí)驗(yàn)過程1、清潔Si片；2、制備濺射Cr膜，厚度50nm，濺射裝置為ANELVA公司的高頻磁控濺射系統(tǒng)；3、在Cr掩膜上，利用光刻工藝制備圖形，即將需要在硅圓片上刻蝕的圖形制成模版，涂附光刻膠后進(jìn)曝光顯影；4、在(NH4)2Ce(NO3)5刻蝕液中對(duì)Cr掩模層進(jìn)行刻蝕，利用光刻膠保護(hù)需要保留的圖形，將模版上的圖形轉(zhuǎn)移到Cr掩模層上。(NH4)2Ce(NO3)5溶液只會(huì)與未受光刻膠保護(hù)的Cr發(fā)生反應(yīng)，而與光刻膠和Si均不反應(yīng)。每100ml(NH4)2Ce(NO3)5刻蝕液中，硝酸鈰銨的含量為5克，高氯酸的含量為1.5毫升，其余為水。
5、模層的硅圓片使用KOH進(jìn)行濕法刻蝕，使用的是濃KOH溶液(KOH∶H2O＝50g∶100ml)。濕法刻蝕系統(tǒng)在HHS-1型水浴器中進(jìn)行50℃的恒溫加熱，溫控精度±1℃。使用的硅圓片Φ100mm，N型，厚度≥510μm，電阻率3Ω·cm，晶向<100>。
6、使用(NH4)2Ce(NO3)5刻蝕液將Cr掩膜層去除。
b實(shí)驗(yàn)結(jié)果50nm的Cr膜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果于實(shí)例1十分相象，只是由于膜厚相對(duì)較薄，所以刻蝕出來的圖形不及使用100nm的Cr膜清晰。此外，刻蝕液中經(jīng)過60分鐘的刻蝕以后中心處未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋。
此例中，由于(NH4)2Ce(NO3)5刻蝕液濃度不高，所以刻蝕速度較慢。即將圖形從光刻膠轉(zhuǎn)移到Cr掩膜上需要較長(zhǎng)的時(shí)間。
實(shí)例3a實(shí)驗(yàn)過程1、清潔Si片；2、制備濺射Cr膜，厚度600nm，濺射裝置為ANELVA公司的高頻磁控濺射系統(tǒng)；3、在Cr掩膜上，利用光刻工藝制備圖形，即將需要在硅圓片上刻蝕的圖形制成模版，涂附光刻膠后進(jìn)曝光顯影；4、在(NH4)2Ce(NO3)5刻蝕液中對(duì)Cr掩模層進(jìn)行刻蝕，利用光刻膠保護(hù)需要保留的圖形，將模版上的圖形轉(zhuǎn)移到Cr掩模層上。(NH4)2Ce(NO3)5溶液只會(huì)與未受光刻膠保護(hù)的Cr發(fā)生反應(yīng)，而與光刻膠和Si均不反應(yīng)。每100ml(NH4)2Ce(NO3)5刻蝕液中，硝酸鈰銨的含量為20克，高氯酸的含量為8毫升，其余為水。
5、模層的硅圓片使用KOH進(jìn)行濕法刻蝕，使用的是濃KOH溶液(KOH∶H2O＝50g∶100ml)。濕法刻蝕系統(tǒng)在HHS-1型水浴器中進(jìn)行50℃的恒溫加熱，溫控精度±1℃。使用的硅圓片Φ100mm，N型，厚度≥510μm，電阻率3Ω·cm，晶向<100>。
6、使用(NH4)2Ce(NO3)5刻蝕液將Cr掩膜層去除。
b實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用600nm的濺射膜，在不需要很長(zhǎng)時(shí)間的刻蝕工藝中，可以取得較為不錯(cuò)的效果，類似于實(shí)例1，并且圖形較為清晰。但是由于600nm的濺射膜結(jié)構(gòu)致密，結(jié)合力強(qiáng)，但其內(nèi)應(yīng)力也較大。這使得硅圓片在劇烈反應(yīng)的KOH溶液中比較脆弱，常常發(fā)生中心薄膜進(jìn)裂的情況。一旦發(fā)生中心薄膜進(jìn)裂的情況，Si片將失去保護(hù)，出現(xiàn)圖形損壞。如圖5所示，經(jīng)過30分鐘的濕法刻蝕后，硅圓片的中心處因?yàn)镃r膜進(jìn)裂剝落失去了保護(hù)，刻蝕的圖形已經(jīng)無法辨識(shí)。
此例中，由于(NH4)2Ce(NO3)5刻蝕液濃度較高，所以刻蝕Cr掩膜速度快。
權(quán)利要求
1.一種硅濕法刻蝕工藝，其步驟包括(1)、在潔凈的硅片上濺射Cr膜，Cr膜厚度為50nm～600nm；(2)、在Cr掩膜上，利用光刻工藝制備圖形；(3)、在(NH4)2Ce(NO3)5溶液中對(duì)Cr掩模層進(jìn)行刻蝕，(NH4)2Ce(NO3)5溶液的成分配比為每100ml的刻蝕液中，硝酸鈰銨為5克～20克，高氯酸為1.5毫升～8毫升，余量為水；(4)、使用KOH溶液對(duì)刻蝕后的硅片進(jìn)行濕法刻蝕，(5)、使用(NH4)2Ce(NO3)5刻蝕液，去除硅片上的Cr掩膜層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅濕法刻蝕工藝。其步驟為①在潔凈的硅片上濺射Cr膜，Cr膜厚度為50nm～600nm；②在Cr掩膜上，利用光刻工藝制備圖形；③在(NH
文檔編號(hào)H01L21/02GK1710705SQ20051001905
公開日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2005年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月5日
發(fā)明者史鐵林, 聶磊, 廖廣蘭, 林曉輝 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)