詳解硅的晶面及應用

文章來源：金末

原文作者：芯云知

研究人員利用硅(100)、(110)和(111)晶面的不同特性對其進行各向異性濕法腐蝕，從而制備出不同的結(jié)構(gòu)，這是半導體工藝中常用的加工方法。

單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相同，是典型的面心立方晶胞結(jié)構(gòu)，其最小單元是由五個原子構(gòu)成的一個正四面體。正四面體的每個頂角原子，又為相鄰四個四面體所共有，這樣由許多個結(jié)構(gòu)最小單元構(gòu)成單位晶胞。由于晶體的微觀各向異性，故硅晶體中不同晶面上原子的分布情況是不相同的。其中，(111)面的原子密度是最大的，(110)面次之，(100)面最小。

圖1 硅的不同晶面示意圖

(100)晶面

采用KOH或TMAH對(100)型硅片的各向異性濕法腐蝕，不管掩膜圖形簡單還是復雜，也不管腐蝕過程，最終形成的是(100)面與4個停止面(111)面成54.74°夾角的四棱錐V槽。硅(100)晶面的各向異性濕法腐蝕在MEMS里面是最常見的加工技術(shù)，如制備微針、凸臺結(jié)構(gòu)和凹槽結(jié)構(gòu)等，成功應用在包括硅壓力傳感器、加速度計、掃描探針等器件。

圖2 (100)晶面各向異性濕法腐蝕示意圖

(110)晶面

在MEMS加工里，(110)晶面的使用場景比(100)少很多。這里以在(110)硅片上制作MEMS光開關(guān)為例，通過KOH溶液各向異性腐蝕得到光開關(guān)的微反射鏡，其質(zhì)量高于用同樣方法在(100)硅片上制作的器件。(110)硅片上難以實現(xiàn)(100)硅片上的V型槽，沿著與微反射鏡面成70.53°的方向上，用 KOH 定向腐蝕液在(110)硅片上制作出一列錯開的成70.53°的平行四邊形蝕坑。這一列并置的平行四邊形蝕坑構(gòu)成了一個鋸齒狀溝槽，光纖就置于該溝槽內(nèi)，其位置由溝壁兩側(cè)的齒尖限定而準確定位。

圖3 采用(110)硅制備微反射鏡的示意圖

另外，在(110)襯底上可以將掩膜圖形與(110)和(100)面交線方向成適當角度，得到與(110)面垂直的(111)面，利用該腐蝕方法可以獲得類似干法刻蝕所制備的高深寬比的腐蝕槽。

圖4 (110)晶面各向異性濕法腐蝕示意圖

(111)晶面

用干法刻蝕出一定深度的兩條長方形微槽，如下圖(a)深色區(qū)域所示，對其進行側(cè)壁保護后再刻蝕犧牲層，然后進行KOH或TMAH各向異性濕法腐蝕。濕法腐蝕將沿單晶硅片內(nèi)部橫向進行腐蝕，最終腐蝕終止面為(111)面，釋放完全后形成的嵌入式腔體投影如下圖(a)中六邊形陰影部分所示。下圖(b)~(d)分別為釋放完全后的Ａ-Ａ'，Ｂ-Ｂ'和Ｃ-Ｃ'三個截面圖。只要合理設計可動結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化可動結(jié)構(gòu)晶向排布方式，并對結(jié)構(gòu)進行側(cè)壁保護，即可實現(xiàn)硅片內(nèi)部選擇性橫向腐蝕釋放可動結(jié)構(gòu)。

圖5 (111)晶面硅各向異性濕法腐蝕示意圖

審核編輯：湯梓紅