专利名称：氢氧化钾溶液腐蚀(100)硅上<110>晶向凸角的补偿方法
技术领域：
本发明属于微电子机械系统(MEMS)加工工艺技术领域，尤其涉及一种凸角微结构的腐蚀补偿方法。
背景技术：
MEMS作为起源于20世纪60年代的多学科和先进制造技术，对改善人们的生活质量、提高人们的生活水平以及增强国力起到了重要的作用。MEMS器件和系统集体积小、重量轻、功耗低、机械电子合一等特点于一身，在航空、航天、汽车、生物医学等诸多领域有着十分广阔的应用前景。但由于强烈的多学科交叉特征，MEMS的研究方式和加工技术具有多样性。在众多的MEMS加工技术中，硅工艺正在逐渐成为主流，采用氢氧化钾溶液(KOH溶液)对硅进行的各向异性腐蚀是硅工艺中的一项关键技术，利用它可以构造方形、矩形以及其他复杂的硅片结构，但缺点是(100)硅在KOH腐蚀过程中台体的凸角被削现象严重，完整的凸角结构难以获得。对此，人们采取了各种各样的补偿措施，如中国专利CN1442511A，名称为“氢氧化钾溶液对(100)硅上<100>晶向的凸角补偿方法”，公开了两种用于(100)硅上<100>晶向凸角的掩膜补偿图形。但由于择优腐蚀面与硅的结晶特性密切相关，在KOH腐蚀(100)硅上<110>晶向时，采用上述或其它现有补偿图形时，凸角还是被削去很多，影响了器件和微结构加工的正常进行，因此，如何设计一种更合理的凸角补偿图形成为KOH腐蚀(100)硅上<110>晶向技术的一个难题。
发明内容
本发明克服上述KOH腐蚀(100)硅上<110>晶向出现削角的缺陷，提供一种氢氧化钾溶液腐蚀(100)硅上<110>晶向凸角的补偿方法，用于KOH腐蚀(100)硅上<110>晶向时能得到带有完整凸角的台体。
本发明的技术内容一种氢氧化钾溶液腐蚀(100)硅上<110>晶向凸角的补偿方法，提供一掩膜补偿图形，该图形由三个正方形组成，与需补偿凸角相对的掩膜图形直角相应，掩膜图形直角的两个边分别延伸，形成正方形(1)的边长a，正方形(1)和掩膜图形直角之间的夹角为另一个正方形(2)的内角，正方形(2)的边长为正方形(1)的边长的1/2，正方形(1)和掩膜图形直角之间的另一夹角为正方形(3)的内角，正方形(3)的边长也为正方形(1)的边长的1/2，正方形(1)的边长a由以下算式确定a=H(12sinα+14cosα)/Uc+26]]>其中，H表示腐蚀的深度，Uc是削角线行进速率与纵向腐蚀速率的比，α是削角线与<110>方向的夹角，为26.57°。
当质量比为28％～30％的KOH和水的腐蚀液中，腐蚀温度为76℃～80℃时，Uc＝1.46，得到a＝H/0.542。
本发明的技术效果本发明掩膜补偿图形占用面积小，图形规则，采用直线，版图设计与掩膜制备方便，减少了对其它器件排布位置的干扰，根据大量的实验证明，在腐蚀过程中，补偿图形被逐渐削去，直至完全消失，最后得到非常完整的凸角。
下面结合附图，对本发明做出详细描述。
图1为正方形掩膜图形示意图；图2为KOH腐蚀(100)硅上<110>晶向的理想台体示意图；图3为图2的实际腐蚀台体示意图；图4为图3的腐蚀过程的掩膜形状示意图；图5为本发明掩膜补偿图形示意图；图6为本发明掩膜补偿图形分解结构示意图；图7为本发明掩膜补偿图形公式中Uc的测量示意图；图8为本发明掩膜补偿图形的一实施例示意图；具体实施方式
图1是正方形掩膜图形示意图，利用其在(100)硅片上各向异性腐蚀过程中加工底面为正方形的硅的台体，图2所示KOH腐蚀(100)硅上<110>晶向的理想台体结构，台体4个侧面都是{111}面，与底面夹角为54.74°。
正方形掩膜图形在KOH腐蚀过程中，并不能形成完整的凸角台体结构，台体侧棱位置出现了倾斜面，如图3所示，对于KOH+水的腐蚀液，该倾斜面是{331}面，与底面夹角为46.51°。
从上表面观察腐蚀过程中的掩膜形状，{331}面与(100)面交线(削角线)为<310>方向，如图4所示，削角线与<110>方向夹角为26.57°。经过长时间腐蚀，得到的是八边形。
基于上述情况，参考图5、图6，本发明提供一掩膜补偿图形，该掩膜补偿图形由三个正方形组成，与需补偿凸角相对的掩膜图形直角相应，掩膜图形直角的两个边分别延伸，形成正方形1的边长a，正方形1和掩膜图形直角之间的夹角为另一个正方形2的内角，正方形2的边长为正方形1的边长的1/2，正方形1和掩膜图形直角之间的另一夹角为正方形3的内角，正方形3的边长也为正方形1的边长的1/2。
本发明正方形边长a的计算式为a=H(12sinα+14cosα)/Uc+26]]>根据腐蚀深度，利用这个计算式确定补偿图形尺寸。其中a为正方形边长，H为腐蚀的深度，α是削角线与<110>方向的夹角，Uc是削角线行进速率与纵向腐蚀速率的比，该值可以利用实验方法测量得到。
图7所示的就是测量Uc的方法。直接腐蚀没有补偿的凸角掩膜，测量dc和H，dc是凸角处两倾斜面在(100)面的交点到掩膜顶角的垂直距离，H是腐蚀深度，即可得到Uc＝dc/H。
在一定的工艺条件下，测得α和Uc，根据加工需要确定H，就可以利用公式计算补偿图形尺寸。例如在质量比为28％～30％的KOH和水的腐蚀液中，腐蚀温度为76℃～80℃，腐蚀过程均匀搅拌腐蚀液，该条件下的纵向腐蚀速率为1μm/min，Q＝26.57°，Uc＝1.46，将Q和Uc这两个值代入上述公式得到；
a＝H/0.542以腐蚀深度为325μm为例，利用上式计算出补偿图形的正方形边长为600μm。制作光刻版，在每个要腐蚀的凸角位置处添加掩膜补偿图形，得到掩膜图形如图8所示，在(100)硅上生长掩膜，热氧化SiO21500，再LPCVD淀积Si3N41000，光刻，反应离子刻蚀Si3N4和SiO2，过刻，去胶后，使用质量比为30％的KOH和水的腐蚀液，80℃，进行腐蚀，目标深度325μm，腐蚀过程均匀搅拌腐蚀液，精确控制腐蚀时间，完成腐蚀，便可形成带有完整凸角的台体。
权利要求
1.一种氢氧化钾溶液腐蚀(100)硅上<110>晶向凸角的补偿方法，其特征在于提供一掩膜补偿图形，该图形由三个正方形组成，与需补偿凸角相对的掩膜图形直角相应，掩膜图形直角的两个边分别延伸，形成正方形(1)的边长a，正方形(1)和掩膜图形直角之间的夹角为另一个正方形(2)的内角，正方形(2)的边长为正方形(1)的边长的1/2，正方形(1)和掩膜图形直角之间的另一夹角为正方形(3)的内角，正方形(3)的边长也为正方形(1)的边长的1/2，正方形(1)的边长a由以下算式确定a=H(12sinα+14cosα)/Uc+26]]>其中，H表示腐蚀的深度，Uc是削角线行进速率与纵向腐蚀速率的比，α是削角线与<110>方向的夹角，为26.57°。
2.如权利要求1所述氢氧化钾溶液腐蚀(100)硅上<110>晶向凸角的补偿方法，其特征在于当质量比为28％～30％的KOH和水的腐蚀液中，腐蚀温度为76℃～80℃时，Uc＝1.46，得到a＝H/0.542。
全文摘要
本发明提供了一种氢氧化钾溶液腐蚀(100)硅上<110>晶向凸角的补偿方法，属于微电子机械系统(MEMS)加工工艺技术领域。该方法提供一掩膜补偿图形，该图形由三个正方形组成，与需补偿凸角相对的掩膜图形直角相应，掩膜图形直角的两个边分别延伸，形成正方形(1)的边长a，正方形(1)和掩膜图形直角之间的夹角为另一个正方形(2)的内角，正方形(2)的边长为正方形(1)的边长的1/2，正方形(1)和掩膜图形直角之间的另一夹角为正方形(3)的内角，正方形(3)的边长也为正方形(1)的边长的1/2。由于掩膜补偿图形简单，没有斜线，且图形尺寸计算简便准确，可降低光刻版的制作难度，得到非常完整的凸角。
文档编号C23F1/02GK1598060SQ200410009379
公开日2005年3月23日 申请日期2004年7月28日 优先权日2004年7月28日
发明者范炜, 张大成, 李婷, 于晓梅 申请人:北京大学