KOH硅湿法蚀刻工艺详解

引言

氢氧化钾(KOH)是一种用于各向异性湿法蚀刻技术的碱金属氢氧化物，是用于硅晶片微加工的最常用的硅蚀刻化学物质之一。各向异性蚀刻优先侵蚀衬底。也就是说，它们在某些方向上的蚀刻速度比在其他方向上的蚀刻速度快，而各向同性蚀刻(如HF)会向所有方向侵蚀。使用KOH工艺是因为其在制造中的可重复性和均匀性，同时保持了较低的生产成本。异丙醇(IPA)经常添加到溶液中，以改变从{110}壁到{100}壁的选择性，并提高表面光滑度。

氧化物和氮化物在KOH中都蚀刻缓慢。氧化物可以在KOH蚀刻浴中用作短时间的蚀刻掩模。对于更长的时间，氮化物是更好的掩模，因为它在KOH中蚀刻得更慢。另一种选择(对许多其他功能有用)是用硼掺杂晶片。这也将降低蚀刻速率，实际上停止富硼硅的蚀刻。

当KOH浓度在80℃时达到18wt%时，蚀刻速率随着KOH浓度的增加而增加。当KOH浓度增加超过18wt%时，蚀刻速率降低。蚀刻过程中发生的化学反应就是这种变化的结果。这将在后面更深入地讨论。然而，通常不使用最大蚀刻速率的浓度，因为表面光滑度随着浓度的增加而提高(明显高于30%)。Si{100}在KOH中的蚀刻速率可以使用下面的等式来计算:

其中浓度以摩尔/升为单位，k0 = 413米/分钟*(摩尔/升)-4.25，EA = 0.595电子伏。KOH的密度和分子量分别为2.055克/立方厘米和56.11克/摩尔，水的密度和分子量分别为1.00克/立方厘米和18.02克/摩尔。

使用KOH蚀刻有几个缺点。最大的问题是蚀刻过程中H2气泡的产生。这些H2气泡充当了一个伪面具。这增加了粗糙度，并可能损坏微结构。与KOH蚀刻相关的另一个问题是KOH含有碱离子。KOH是MOS器件的终生杀手。使用KOH的人必须小心不要污染任何其他过程。KOH还会腐蚀铝，这可能是片上电路的一个问题。

碱性KOH蚀刻特性

I. 各向异性KOH蚀刻速率与取向的关系

KOH蚀刻的蚀刻速率受到硅的晶体取向的严重影响。这是因为它的各向异性性质。下表列出了70˚时硅的取向与KOH浓度的关系。表1直接取自[2]，也在[1]中给出。括号中的数字是相对于(110)的标准化值。

I. KOH蚀刻速率与成分和温度的关系

蚀刻速率随着温度的增加而增加；然而，随着蚀刻速率的增加，会导致不太理想的蚀刻行为。当KOH浓度增加超过18wt%时，蚀刻速率降低。这是因为发生了蚀刻反应。当强碱，如KOH(含有大量的OH-离子)存在时，硅-硅键断裂。该蚀刻导致Si(OH)4的形成、四个水分子的消耗和两个氢气分子的释放。随着溶液中水含量的降低，反应变得受限[11]。下面是取自[1]的表格，其中硅取向相关的蚀刻速率与成分百分比、温度和取向有关。

蚀刻速率随着温度的增加而增加；然而，随着蚀刻速率的增加，会导致不太理想的蚀刻行为。当KOH浓度增加超过18wt%时，蚀刻速率降低。这是因为发生了蚀刻反应。当强碱，如KOH(含有大量的OH-离子)存在时，硅-硅键断裂。该蚀刻导致Si(OH)4的形成、四个水分子的消耗和两个氢气分子的释放。随着溶液中水含量的降低，反应变得受限。下面是取自[1]的表格，其中硅取向相关的蚀刻速率与成分百分比、温度和取向有关。