(100)面硅片各向异性腐蚀中的凸角补偿方式

　　硅的各向异性腐蚀在硅的微机械加工技术中起着极其重要的作用,它已经被广泛应用于硅微机械加工中.在硅的各种湿法腐蚀中,采用KOH溶液进行各向异性腐蚀硅是微机械加工中的一项重要技术,其中(100)硅的各向异性腐蚀是使用最广的一种技术,这种技术利用了化学腐蚀剂对硅(111)面的腐蚀速率远远低于其他晶面的特点.基于硅的这种腐蚀特点,可在硅基片上形成方形、矩形和硅膜片以及其他复杂的三维结构,在传感器、执行器及微机械制作领域具有非常广泛的应用[1].

　　在进行KOH背腔腐蚀,特别是深腐蚀(大于50μm)时,如果不采用一定的补偿措施,实际形成的形状将会与理想中的形状有很大的差别,台柱等结构的凸角部分将会被腐蚀.腐蚀深度越大,凸角被腐蚀的越多;因此,在进行腐蚀时,一定的凸角补偿直接影响到整个器件的成败[2].当前针对这种削角补偿的研究越来越多,如在凸角上补偿方形、三角形及〈110〉条形掩膜,其目的都是为了得到完整的凸角结构.笔者以梁-质量块结构的加速度计为模型,为了得到完整的台形质量块结构,对以上3种凸角补偿方式进行研究,计算出各种最佳补偿的几何尺寸模型.

　　1　各种凸角补偿方式的研究

　　1·1　三角形补偿

　　三角形补偿是在掩膜版顶角直接添加〈310〉向围成的三角形掩膜的补偿方法,如图1所示.其中只有1个尺寸参数b,确定此参数与腐蚀深度的关系即可。

　　在硅的各向异性腐蚀中,由于〈313〉晶向的腐蚀速度最快,又(313)晶面与(100)面交线为〈310〉方向,所以三角形掩膜的两条边均是〈310〉晶向[3].

　　由向量几何知识可知,〈310〉方向在〈110〉方向坐标系中的斜率k=1/2,所以,三角形补偿的掩膜边缘到凸角顶点的垂直距离为

式中:b为补偿边界到结构顶角的距离;d为掩膜边缘到凸角顶点的垂直距离.

　　由于从三角形掩膜的边缘腐蚀到凸角顶点时间与设计要求深度的腐蚀时间相等[4-5],即

式中:V〈310〉为(100)面上沿〈310〉方向的腐蚀速度;V〈100〉为(100)面上沿〈100〉方向的腐蚀速度;H为腐蚀深度.

　　可以得三角形掩膜的尺寸参数b与腐蚀深度之间的关系为

　　1·2　条形补偿

　　条形补偿是在〈110〉方向形成的凸角上补偿一个〈100〉条形结构[6],如图2所示.

　　在KOH溶液中,〈110〉方向的条形补偿结构,(100)面上沿3个方向被切削,侧向〈100〉、侧向〈310〉方向和自由端的〈310〉方向,如图2所示.当长度满足一定条件时,使后两种切削先停止,只沿余下的〈100〉方向的补偿条切削,又因其腐蚀速度与(100)面的纵向腐蚀速度相同,所以只有当此补偿条宽度是腐蚀深度的2倍时,凸角将被完整保留,即宽度b与腐蚀深度H的关系为