CN1009376B - 圆形硅杯的电化学腐蚀方法和装置 - Google Patents
圆形硅杯的电化学腐蚀方法和装置Info
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Abstract
本发明是关于一种电化学腐蚀工艺，用以腐蚀得半导体硅压阻式压力传感器中的圆形硅杯(周边固定支撑的硅弹性膜)。采用对人体毒害性较小的NH4F水溶液作电化学腐蚀液；待腐蚀的具n/n+结构的硅片的n+面上用极易生长的SiO2作选择性腐蚀掩膜，再盖上有足够大内径的下橡皮圈被压在负极性的多孔铜电极和正极性的铜电极之间，腐蚀液不断喷入负极性的多孔铜电极，直达待腐蚀硅片进行腐蚀。
Description
本发明属电化学腐蚀工艺，用以腐蚀得半导体硅压阻式压力传感器中的圆形硅弹性膜片（硅杯）。
目前半导体硅压阻式压力传感器在设计上大都是把硅衬底材料加工成周边固定支撑的弹性膜片，这种形状的膜片称之为硅杯。硅杯的加工是生产这类压力传感器的关键工艺。传统的硅杯加工工艺是采用机械研磨的方法，但只适宜于较大的膜片。对微小型的压力传感器（如生物上应用的，膜的直径小于1mm），为保证其灵敏度，弹性膜片必须很薄，约10微米左右，并且膜的均匀性要求较高，机械研磨已无能为力。这些年来发展的各向同性和各向异性腐蚀法，取得了良好的效果。为使这类压力传感器的体积更小，应采用各向同性腐蚀法腐蚀出的圆形硅杯。本发明涉及这类微小型圆形硅杯的具体腐蚀工艺问题。
在Esashi等人的文章（“Fabrication of Catheter-Tip and Sidewall Miniature Pressure Sensors”，IEEE-Transactions On Electron Devices，Vol.ED-29，NO.1，Jan.1982，p.57-63）中介绍了一种用HF水溶液电化学腐蚀微小的圆形硅杯的方法，并附有这种电化学腐蚀装置的示意图。Esashi等人采用流动的5%稀HF溶液作电化学腐蚀液。由于HF溶液对SiO2的腐蚀性极强，用了高质量的Si3N4作选择性腐蚀掩膜（即在待腐蚀的硅表面生长一层Si3N4，光刻出待腐蚀的部分的硅的图形）。在电场作用下F-跑到硅表面与硅作用生成（SiF6）-进入溶液，达到腐蚀硅的目的。这种腐蚀有一种
特性，即对掺杂浓度高的n+硅腐蚀快，对掺杂浓度低的n型硅几乎不腐蚀。这样，把待腐蚀的硅片作成n/n+结构，即在n+衬底上外延一层n型硅，当腐蚀进行到外延层时，即自行停止（自停止效应）。这样腐蚀结果，其膜厚度可由外延层的厚度得到控制，可以得到任意厚度的平整光滑的周边固定支撑的硅弹性膜片（硅杯）。这是一种很好的方法，但在实际使用中，还存在许多技术上的困难点：（1）所用HF水溶液对人体的毒害性较大;（2）很不容易制得能起良好掩蔽作用的Si3N4膜，未到予定的腐蚀时间，Si3N4膜已被HF所腐蚀，而造成掩膜破坏;（3）原电化学腐蚀装置制作和加工复杂，要使在旋转中的硅片背面不渗漏进HF溶液很困难。
本发明的任务即在避免和克服上述的困难，采用一种对人体毒害性比HF小的新的电化学腐蚀液;用极易生长的SiO2作选择性腐蚀掩膜;另外对原化学腐蚀装置作简化和改进，使待腐蚀硅片不需旋转，并且对腐蚀液的密封良好，其中零部件也便于加工。
本发明的任务是以如下方式完成的：
改用NH4F水溶液作电化学腐蚀液，它对人体毒害比HF小;它对n/n+硅片同样具有良好的电化学腐蚀的自停止效应，对n+硅的腐蚀速度相当快;特别重要的是在电场作用下，它对SiO2几乎没腐蚀作用，所以可用极易生长的SiO2作选择性腐蚀掩膜，效果也相当好;另外NH4F水溶液对其他材料的腐蚀性也小，所以电化学腐蚀装置中电极和其他零部件的材料也易于选择。
附图1是本发明提出的经简化和改进的电化学腐蚀装置的示意图。下面结合附图1详细说明该具体装置的细节和工作情况：
本装置包括一个用以盛放腐蚀液〔11〕的有机玻璃容器〔1〕;一个具有百叶窗式长孔〔3〕的旋转的中空的搅拌器〔2〕;有机玻
璃容器〔1〕下部牢固地连接一个U形件〔13〕;U形件〔13〕下部中心穿过一个固紧螺丝〔9〕，由于U形件〔13〕下部中心攻有相应螺纹，所以固紧螺丝能因旋动而上下移动;待腐蚀硅片〔6〕的作好SiO2选择性掩膜的一面盖上有足够大内径的下橡皮圈〔5〕后，被夹在接向直流电源〔10〕负极的多孔铜电极〔7〕和接向直流电源〔10〕正极的铜电极〔8〕之间;当然下橡皮圈〔5〕的内径还得小于待腐蚀硅片〔6〕的外径，其厚度影响多孔铜电极〔7〕和铜电极〔8〕之间的距离，影响其间的电场强度大小;用固紧螺丝〔9〕把铜电极〔8〕、待腐蚀硅片〔6〕、下橡片圈〔5〕、多孔铜电极〔7〕和上橡皮圈〔4〕压向有机玻璃容器〔1〕底部的圆形开口〔12〕，进行对腐蚀液〔11〕的密封;圆形开口〔12〕的直径比待腐蚀的硅片〔6〕直径稍小;上橡皮圈的内径与圆形开口〔12〕的直径相等;具有百叶窗式长孔〔3〕的中空的搅拌器〔2〕的不断旋转，使腐蚀液〔11〕从中空的搅拌器〔2〕下部不断喷出和受连续搅拌;从搅拌器〔2〕下部喷出的腐蚀液〔11〕，冲过多孔铜电极〔7〕直达待腐蚀的硅片〔6〕上，不断冲入和不断换取，同时去掉反应生成的气泡，免于阻碍进一步的腐蚀;为使多孔铜电极〔7〕和铜电极〔8〕之间的电场均匀，多孔铜电极〔7〕上的孔要小而密，并且分布均匀;铜电板〔8〕要稍厚，不因固紧螺丝〔9〕拧紧而变形，以致压碎待腐蚀硅片〔6〕，同时要求铜电板〔8〕与待腐蚀硅片〔6〕接触的面平整光滑;固紧螺丝〔9〕拧紧时，只要达到腐蚀液〔11〕不致漏出的程度即可;与直流电源〔10〕连接的毫安表〔14〕用以监视电化学腐蚀的过程。
本发明与现有技术相比具有如下的优点：
（1）改用对人体毒害性比HF小的NH4F水溶液作电化学腐蚀液〔11〕。
（2）可用极易生长的SiO2膜代替难于生长的高质量的Si3N4膜作选择性腐蚀掩膜。
（3）NH4F水溶液对电化学腐蚀装置中电极等另部件的腐蚀性小。
（4）整个电化学腐蚀装置简单和易于加工制作，所用材料普通、价廉。
（5）在本发明的电化学腐蚀装置中，用待腐蚀硅片〔6〕本身作为主要的对喷射入腐蚀液〔11〕的密封和隔离物。待腐蚀硅片〔6〕的一个面被腐蚀，另一个面根本不接触腐蚀液〔11〕，所以可以把不腐蚀面（正面）的其他工艺作好之后进行腐蚀而不受影响，减少了另外再做电极等的其他附加工序，缩短了工艺周期。
（6）如将整个电化学腐蚀装置扩大，多做几个电极和采取一些附加措施，一次就可同时腐蚀多片，便于较大规模生产。
（7）本电化学腐蚀装置安全可靠，换片操作方便，也便于观察，如发现有漏液现象，就不通电，停止腐蚀，装好后再进行腐蚀，不会造成整片报废。
（8）运用了搅拌器〔2〕的边喷射边搅拌的特点，使腐蚀出的硅杯的各部位均匀一致，圆度也良好，适于制造这类微小型硅杯。
采用附图1的电化学腐蚀装置，腐蚀液〔11〕采用5～6重量百分比的NH4F水溶液，电场强度为75V/cm左右，搅拌器〔2〕的转速约300～400转/分，可达到8～10μm/min的腐蚀速度，对制造膜的直径小于1mm、膜厚小于16μm的硅杯能取得最好效果。
Claims (3)
1、一种半导体硅压阻式压力传感器中圆形硅杯的电化学腐蚀方法，采和含氟的腐蚀液(11)，在n+衬底上外延一层n型层，并在n+面上作好SiO2选择性掩膜图形的待腐蚀硅片(6)与腐蚀液(11)之间有不断的相对运动，在外加电场作用下达到腐蚀n+的目的，其特征是腐蚀液(11)采用5-6重量百分比的NH4F水溶液，待腐蚀硅片(6)作好SiO2选择性腐蚀掩膜的一面盖上有足够大内径的下橡皮圈(5)后，被夹在接向直流电源(10)负极的多孔铜电极(7)和接向直流电源(10)正极的铜电极(8)之间，电场强度为75v/cm，由于中空的搅拌器(2)的不断旋转，腐蚀液(11)不断喷射入多孔铜电极(7)，直达待腐蚀硅片(6)进行腐蚀。
2、按照权利要求1所述的圆形硅杯的电化学腐蚀方法，其特征是搅拌器（2）转速约300-400转/分。
3、实施权利要求1所述的圆形硅杯的电化学腐蚀方法的装置，其特征是腐蚀液（11）存放在有机玻璃容器（1）中;具有百叶窗式长孔（3）的中空的搅拌器（2）的不断旋转，使腐蚀液（11）从中空的搅拌器（2）下部不断喷出和受连续搅拌;有机玻璃容器（1）的下部牢固连接一个U形件（13）;靠上橡皮圈（4），用穿过U形件（13）的固紧螺丝（9），把铜电极（8）、待腐蚀硅片（6）下橡皮圈（5）和多孔铜电极（7）四者压向有机玻璃容器（1）下部的圆形开口（12）进行对腐蚀液（11）的密封。
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- 1987-05-27 CN CN 87103891 patent/CN1009376B/zh not_active Expired
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