硅的晶向及应用

  晶硅的晶体结构与金刚石相同，是典型的面心立方晶胞结构，其最小单元是由五个原子构成的一个正四面体。正四面体的每个顶角原子,又为相邻四个四面体所共有,这样由许多个结构最小单元构成单位晶胞。由于晶体的微观各向异性，故硅晶体中不同晶面上原子的分布情况是不相同的。其中，单晶硅中（111）晶面的硅原子密度最大，而且（111）晶面上的一个硅原子与次表面的三个硅原子形成三个共价键，（100）晶面的硅原子密度次之，而且（100）晶面上的一个硅原子与次表面的两个硅原子形成两个共价键；（110）晶面的原子密度最小，而且（110）晶面上的一个硅原子与其次表面上的一个硅原子形成一个共价键，同时与表面原子形成两个共价键。

硅的不同晶向示意图

那么不同晶向的硅衬底在MEMS上如何应用呢？MEMS器件又如何选择衬底晶向呢？对大部分器件，除了外延作为晶向种子层，大部分是利用晶向是因为体硅加工工艺的需要。

（100）晶向硅

采用KOH或TMAH对(100)型硅片的各向异性湿法腐蚀，不管掩膜图形简单还是复杂，也不管腐蚀过程，最终形成的是（100）面与4个停止面（111）面成54.74°夹角的四棱锥V槽。（100）晶向硅的各向异性湿法腐蚀在MEMS里面是最常见的加工技术，如制备微针、凸台结构和凹槽结构等，成功应用在包括硅压力传感器、加速度计、扫描探针等器件。

图 （100）晶向硅各向异性湿法腐蚀示意图

（110）晶向硅

在MEMS加工里，（110）晶向的使用场景比（100）少很多。这里以在（110）硅片上制作MEMS光开关为例，通过KOH溶液各向异性腐蚀得到光开关的微反射镜，其质量高于用同样方法在（100）硅片上制作的器件。（110）硅片上难以实现（100）硅片上的V型槽，沿着与微反射镜面成70.53°的方向上，用KOH定向腐蚀液在（110）硅片上制作出一列错开的成70.53°的平行四边形蚀坑。这一列并置的平行四边形蚀坑构成了一个锯齿状沟槽，光纤就置于该沟槽内，其位置由沟壁两侧的齿尖限定而准确定位。（引用：贾翠萍，《（110）硅基 MEMS 光开关光纤定位槽的设计》）

图 采用（110）硅制备微反射镜的示意图

另外，在(110)衬底上可以将掩膜图形与(110)和(100)面交线方向成适当角度，得到与(110)面垂直的(111)面，利用该腐蚀方法可以获得类似干法刻蚀所制备的高深宽比的腐蚀槽。

图 （110）晶向硅各向异性湿法腐蚀示意图

（111）晶向硅

用干法刻蚀出一定深度的两条长方形微槽，如下图（ａ）深色区域所示，对其进行侧壁保护后再刻蚀牺牲层，然后进行KOH或TMAH各向异性湿法腐蚀。湿法腐蚀将沿单晶硅片内部横向进行腐蚀，最终腐蚀终止面为(111)面，释放完全后形成的嵌入式腔体投影如下图（ａ）中六边形阴影部分所示。下图（b）~（d）分别为释放完全后的 Ａ-Ａ＇，Ｂ-Ｂ＇和 Ｃ-Ｃ＇三个截面图。只要合理设计可动结构以及优化可动结构晶向排布方式，并对结构进行侧壁保护，即可实现硅片内部选择性横向腐蚀释放可动结构。此项技术由中科院微系统所团队发明，并在压力传感器、加速度传感器制备上有相关专利保护。（引用：赵忆《基于（111）硅单片集成三轴加速度计的工艺研究》

图 （111）晶向硅各向异性湿法腐蚀示意图