光伏制造与设备 电子工业董用设备 ［￣ｆｏｒ ｒｏｎｉｃ ＰＩ钒 哟 妇姗懒 － 碱性腐蚀工艺条件对硅片表面 腐蚀形貌的影响 孙俭 （中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津３００２２０） 摘 要：碱性腐蚀工艺条件对硅片表面腐蚀形貌如粗糙度、显微镜下的表面状况的影响做了研 究．通过实验结果给出了特定要求条件下硅片腐蚀的最佳方案。运用硅的化学腐蚀机理分析了表 面腐蚀状况的原因。 关键词：腐蚀；表面形貌；硅片 中图分类号：ＴＮ３０５．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４．４５０７（２０１ １）０３．００２８．０３ Ａｆｆｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｂａｓｅ Ｅｔｃｈ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｑｕａｌｉｔｙ （Ｔｈｅ ４６ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＥＴＣ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００２２０） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｗａｓ ａｄｄｒｅｓｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ａｆｆｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｔｃｈ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｌｉ． ｃｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔａｔｅ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｉｎｓｐｅｃ－ ｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｆｉｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｗａｓ ｇｏｔ ｂｙ ｍａｎｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｈｅｍ— ｉｃａｌ ｅｔｃｈ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｅｔｃｈｅｄ ｗａｆｅｒｓ ｗａｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｔｃｈ；Ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ；Ｓｉｌｉｃｏｎ 硅是重要的半导体材料，在当今全球超过 ２０００亿美元的电子通信半导体市场中，９５％以上的 蚀来达到工序的目的，如晶体缺陷检测、加工损伤 层的去除、晶片的清洗等。 硅的化学腐蚀分为酸性腐蚀和碱性腐蚀。在酸 半导体器件和９９％以上的集成电路是用硅材料制 作的。相对于其它半导体材料而言，硅具有价廉、物 丰、易于生长大尺寸高纯度晶体及热性能、机械性 性腐蚀工艺中，腐蚀液通常选用硝酸、氢氟酸和冰 乙酸或磷酸按一定比例配制而成，这种腐蚀液的腐 能优良等优点。因此，研究硅片加工过程中各种工 艺条件对于器件制备过程的影响具有十分重要的 意义。 蚀速率快，化学反应为放热反应，所以反应较难控 制，因此，腐蚀片的一致性稍差；另一方面，由于酸 性腐蚀液存在着成本高、对环保影响较大等问题， 所以对于小直径硅片的化学腐蚀，通常选用碱性化 在硅片的加工过程中，有多种工序应用化学腐 收稿日期：２０１１—０１—２８ － 电子工业专用设备 光伏制造与设备 学工艺。 面形貌和尺寸有一定的影响，在其它腐蚀条件一定 本文将介绍硅片碱性化学腐蚀的机理，重点讨 论化学腐蚀工序中碱性腐蚀工艺条件对硅片表面 的情况下，改变腐蚀时间（即去除量不同），所得到 的腐蚀图形的边长不同。表１给出了实验结果。图 腐蚀形貌的影响。 １实验 在硅片的加工过程中，硅片经过了切片和研磨 等机械加工过程后，其表面因加工应力而形成一层 损伤层，损伤层的深度与机械加工的细节有关。为 了使整个晶片维持高品质的单晶特性，这层损伤层 必须去除。化学腐蚀工序的目的就是去除这一损伤 层，同时使磨片工序产生的划伤暴露出来。 实验中采用碱性腐蚀液对Ｐ型＜１００＞硅研磨 片进行化学腐蚀，清洗甩干后在显微镜下观察腐蚀 片的表面状况，用台阶仪测量晶片表面粗糙度。 １．１实验条件 实验片为Ｐ型＜１００＞， ７６ ｍｍ， Ｄ：７～１２ ｆ２ ｃｍ； 碱性腐蚀液：氢氧化钾溶液，浓度４５％； 腐蚀温度：９０℃±２℃； 腐蚀去除量：８～２４ ｍ １．２实验过程 （１）将表面干燥的硅研磨片放入温度为９０℃左 右的氢氧化钾溶液中浸泡不同的时间，使晶片表面 的去除量分别为１０ ｍ以下、１５ ｍ、１８ Ｉ．ｚｍ、２０ ｍ 及以上。 （２）将腐蚀后的晶片迅速放入冷、热去离子水 中冲洗。 （３）将晶片放入甩干机内甩干。 （４）显微镜下检查晶片表面形貌，用微米尺测 量腐蚀图形的边长。 （５）用台阶仪检测晶片表面粗糙度。 ２结果和讨论 ２．１腐蚀去除量对腐蚀图形尺寸的影响 实验表明，晶片表面腐蚀去除量对腐蚀片的表 １给出了各种条件下腐蚀图形的照片。 ２．２腐蚀去除量对晶片表面粗糙度的影响 实验表明，化学腐蚀的去除量对晶片表面粗糙 度有一定的影响。在一定的腐蚀条件下，去除量增 大，可能导致晶片粗糙度变大，但也不排除晶片先前 机械损伤层不同的可能性。表２给出了实验结果。 表２腐蚀去除量对腐蚀片粗糙度的影响 腐蚀去除量／Ｉｘｍ ８ １５ １８ ２０ 粗糙度／ｉｒｍ ５７３．５ ６７５．０ ８５２．０ ８６５．０ ２．３讨论 硅片在碱性腐蚀液中的腐蚀过程是反应控制 过程，反应速度取决于表面化悬挂键密度，因而与 晶向有关，碱性腐蚀是各向异性过程，即化学腐蚀 速率与晶片的结晶方向有关。 在实际应用中，常用的碱性腐蚀液是氢氧化钾 或氢氧化钠。其反应机制可写为： Ｓｉ＋２ＯＨ．＋Ｈ２Ｏ—｝Ｓｉ０３ ＿＋２Ｈ２ｔ （１） 碱性腐蚀速率与晶片的表面机械损伤有关，当 损伤层完全去除后，腐蚀速率变得比较高且缓慢。 本文中给出的实验结果表明，当腐蚀去除量比较小 时，晶片的表面机械损伤仍然存在，因此显微镜下 观察到的图形比较杂乱，腐蚀图形的边长也较小； 当去除量增大时，机械损伤被去掉，损伤引起的向 晶片体内的择优腐蚀减少，腐蚀图形横向扩大，因 而腐蚀图形的边长变大。 不同的用户对于化学腐蚀片表面粗糙度的要 求是不同的，这主要是用户所做产品不同造成的。 为了使用晶片的表面粗糙度和表面腐蚀图形的大 小均能满足用户的要求，需要调整工艺条件，这包 括腐蚀液的浓度、温度、腐蚀量的大小等，同时也要 调整晶片化学腐蚀前的加工条件，减少机械损伤。 ３结论 （１）在相同的腐蚀条件下，如果晶片腐蚀的去