硅的各向异性腐蚀掩蔽层形状对最终腐蚀图形的影响

什么掩蔽层是个圆，腐蚀出来是个棱锥？

和小伙伴讨论，如果圆形腐蚀窗口，即掩蔽层开口是个圆，通过各向异性腐蚀可以腐蚀出圆锥吗？

答案是不能的。

硅的各向异性腐蚀机理还没有明确的定论，通常认为，硅在碱性腐蚀环境下，各个晶面具有不同的腐蚀速率，其中（100）和（110）晶面腐蚀速率较快，而（111）晶面腐蚀速率慢很多，因此腐蚀面停留在（111）。

对硅个各向异性腐蚀，常用的碱性药液为KOH和TMAH，KOH浓度范围在20~40wt%间，TMAH浓度范围在5~25wt%间，腐蚀温度至少要高于70°C。KOH的腐蚀速率至少高于TMAH两倍，且KOH腐蚀速率随着浓度升高而升高，而TMAH腐蚀速率随着浓度升高而降低。在MEMS体硅工艺中，更多的使用的是5%TAMH对硅进行各向异性腐蚀，优势在于腐蚀液不含金属离子，对结构层损伤小，对硬掩膜腐蚀选择比高，最重要的是速率低，易于控制腐蚀深度。

图 KOH和TMAH对不同晶面的腐蚀速率（doi：10.1016/S0924-4247(99)00264-2）

硅的各向异性腐蚀硬掩膜一般选择PECVD的氧化硅或氮化硅，氮化硅腐蚀选择比高于氧化硅1-2个数量级。

对（110）晶向硅片，矩形腐蚀窗口将形成4个与表面垂直、2个与表面成35.26°夹角的（111）腐蚀面。对（111）晶向硅片，矩形腐蚀窗口将形成6个与表面成70.5°/109.5°夹角的（111）腐蚀面。对（100）晶向硅片，矩形腐蚀窗口腐蚀后将形成（111）晶面和（100）晶面夹角为54.74°，四个（111）面形成四棱锥或四棱台结构。那么回答开始的问题，圆形腐蚀窗口，不管是哪个晶向的硅片都不可能腐蚀出圆锥结构，最终的图形和其外接矩形形成的结构一致。

图（100）晶向硅各向异性腐蚀示意图

启芯微纳也做了很多实验，在（100）晶向的硅片上设计了多种图形，三变形、四边形、五边形甚至不规则图形，最终的腐蚀图形都是一边沿着（110）晶向的外接矩形。同时，也可以看到，如果多个图形之间的外接矩形有交叉，最终的结构是这些图形整体的外接大矩形。