KOH湿法刻蚀硅的工艺流程

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工艺技术

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发布时间：

2025-10-20

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在半导体和MEMS制造中，刻蚀技术是实现图形转移和三维结构成型的核心环节。湿法化学刻蚀，特别是各向异性湿法刻蚀，能够利用腐蚀液对单晶硅不同晶向的刻蚀速率不同，在特定的晶面上自动停止刻蚀，从而形成精确的V型槽、悬臂梁或空腔等结构。在多种各向异性腐蚀液中，KOH溶液由于具有刻蚀速率快、各向异性比高、成本相对低廉以及工艺成熟等优点，成为了主流的选择之一。

上图展示了KOH（氢氧化钾）刻蚀单晶硅的典型工艺流程，具体步骤如下：

工艺流程

1.硅片清洗（Wafer Clean）

工艺始于合适的衬底准备。通常选用P型、<100>晶向的单晶硅片。为确保后续工艺质量，必须彻底清除硅片表面的颗粒、有机物及金属离子等污染物。可采用标准的RCA清洗法或简化的SC1/SC2化学清洗方案，以获得洁净、无污染的硅片表面。

2.缓冲氧化层与氮化硅沉积（Pad Oxide and Nitride Deposition）

为实现选择性刻蚀，需要在硅片表面制备耐KOH腐蚀的掩模层。

首先，通过热氧化工艺在硅片表面生长一层薄薄的二氧化硅（SiO₂），作为缓冲层，以缓解后续氮化硅与硅衬底之间的应力。
然后，通过化学气相沉积（CVD）等方法在SiO₂上沉积一层氮化硅（Si₃N₄）。Si₃N₄对KOH具有极强的耐腐蚀性，能有效保护其覆盖下的硅区域不被刻蚀。

3.光刻（Photolithography）

此步骤的目的是将设计好的沟槽或窗口图形转移到氮化硅掩模上。

涂胶与烘烤：依次涂布抗反射涂层（ARC）和光刻胶（PR），随后在热板上进行软烘，以蒸发溶剂。
曝光与后烘：通过掩模版进行紫外光曝光，使曝光区域的光刻胶发生化学反应。之后进行曝光后烘烤（PEB），以稳定曝光形成的潜像。
显影与硬烘：使用显影液（如TMAH）溶解去除曝光（或未曝光，取决于光刻胶类型）区域的光刻胶，从而显露出待刻蚀的图形。最后进行硬烘，以提高光刻胶在后续刻蚀步骤中的稳定性。

4.掩模的刻蚀（Mask Etching）

利用光刻形成的图形作为保护层，进行掩模的干法刻蚀。
采用反应离子刻蚀（RIE）技术，依次刻蚀掉暴露区域的Si₃N₄和SiO₂层。
刻蚀完成后，使用特定的剥离液或等离子体去胶工艺，彻底去除残留的光刻胶和抗反射涂层，最终得到具有精确图形的氮化硅掩模。

5.KOH湿法蚀刻硅（KOH Wet Etching）

此步骤是整个工艺的核心。

将制备好掩模的晶圆浸入加热的KOH溶液（典型浓度20%~40%，温度60~90℃）中。
利用KOH对单晶硅各向异性的刻蚀特性：其对<100>晶面的刻蚀速率远快于对<111>晶面。因此，刻蚀会沿着<100>晶向快速进行，并在遇到<111>晶面时显著减慢或停止，从而形成由（111）面围成的V型槽或金字塔形坑等结构。
最终的刻蚀深度可通过精确控制刻蚀时间或利用（111）面的自停止效应来实现。

6.去除氮化硅掩模（Strip Si₃N₄ Mask）

刻蚀结构形成后，需移除起保护作用的氮化硅掩模层。

通常使用热磷酸（H₃PO₄）溶液进行湿法去除，因其对Si₃N₄具有高选择比（相对于SiO₂和Si）。
亦可采用干法刻蚀工艺进行剥离。
掩模去除后，进行最终的清洗和干燥步骤，完成整个KOH湿法刻蚀工艺流程。

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