基于GaAs／AlAs腐蚀自停止的新型水听器工艺

仝召民 薛晨阳 张斌珍 王勇
[1]中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051 [2]中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050000

文章摘要:针对感应耦合等离子（ICP）刻蚀气室气体分布不均匀性所导致的被刻蚀台面中间厚、边缘薄及干法刻蚀后残余应力大等缺点，进行了GaAs／AlAs的选择性湿法腐蚀工艺研究．腐蚀液为50％一水柠檬酸（C6H8O7·H2O）溶液与30％双氧水（H2O2）的混合物，当二者体积比为3：1时，GaAs／AlAs的选择比达到79以上．用原子力显微镜（AFM）和扫描电镜（SEM）对腐蚀后的试验片测试后发现，该体积比腐蚀液腐蚀的试验片具有表面粗糙度低、刻蚀各向异性好、选择比高等优点，能够满足传感器加工的需要；结合试验结果，设计了一种待加工梁厚3μm的外延材料结构，并对传感器的加工工艺进行了优化；最后，采用ANSYS对所设计的结构进行了仿真分析，仿真结果表明，该结构具有可行性，可实现水平面内的声学探测．
文章主题:GaAs／AlAs 选择性湿法腐蚀 一水柠檬酸 ANSYS

文章内容：第5卷第3期207年9月纳米技术与精密工程】0.01.5.3.207基于/腐蚀自停止的新型水听器工艺仝召民,薛晨阳,张斌珍,王勇(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;2.中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050000)摘要:针对感应耦合等离子()刻蚀气室气体分布不均匀性所导致的被刻蚀台面中间厚,边缘薄及干法刻蚀后残余应力大等缺点,进行了/1的选择性湿法腐蚀工艺研究.腐蚀液为50%一水柠檬酸(607?2)溶液与30%双氧水(202)的混合物,当二者体积比为3:1时,/1的选择比达到79以上.用原子力显微镜()和扫描电镜()对腐蚀后的试验片测试后发现,该体积比腐蚀液腐蚀的试验片具有表面粗糙度低,刻蚀各向异性好,选择比高等优点,能够满足传感器加工的需要;结合试验结果,设计了一种待加工梁厚3胛的外延材料结构,并对传感器的加工工艺进行了优化;最后,采用对所设计的结构进行了仿真分析,仿真结果表明,该结构具有可行性,可实现水平面内的声学探测.关键词:/1;选择性湿法腐蚀;一水柠檬酸;中图分类号:212文献标志码:文章编号:1672.630(207)030230—05/—-,—,—,2(1.,,030051,;2.13,050000,):()',/.50%30%202,/793:1.,—,'.,3/,.,..:/;;;刻蚀是半导体材料加工过程中关键的工艺步骤,刻蚀工艺的目的就是将胶层掩膜上的图形尽可能精确地转移到下面的片子上.按照摩尔定律,集成电路的集成度每3年增长4倍,特征尺寸每3年缩小…<>结构收稿日期:2007-05.31.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50405025;50535030).作者简介:仝召民(1982一),男,硕士研究生,-@.尺寸的缩小,对刻蚀工艺的要求越来越高.一方面,要求高度各向异性以得到刻蚀图形垂直的侧壁;另一方面,要求很高的选择性和均匀性,使得图形层在刻蚀穿透的瞬间终止刻蚀.刻蚀有选择性和非选择性,干法和207年9月仝召民等:基于/1腐蚀自停止的新型水听器工艺?231?湿法之分.非选择性刻蚀一般需要采用刻蚀终点检测仪等终点检测方法,不仅设备成本高,程序繁琐,与湿法腐蚀工艺相比,干法刻蚀存在刻蚀速率慢,选择比低,被刻蚀面残余应力大等缺点,因此笔者结合四梁仿生矢量水声传感器,对/1的湿法选择性腐蚀工艺进行了研究,优化设计了一种梁厚3的传感器结构加工工艺,并采用有限元分析软件对该结构进行了建模仿真.1湿法选择性腐蚀的必要性1.1介观压阻效应/—/共振隧穿薄膜材料同时存在特殊的压阻效应[2],初步试验研究发现共振隧穿量子阱薄膜结构的压阻效应灵敏度比硅的压阻灵敏度最大值高出1倍以上_3],近年来基于此效应的加速度计,压力传感器已经有相关报道.同时,通过灿/—/量子阱薄膜压阻效应实现压电转换的器件还具有可以直接频率输出的优点,这是由共振隧穿量子阱薄膜的负阻特性决定的_4,为高灵敏度,抗干扰新型微纳器件的研制提供了可能.1.2传感器结构根据鱼类侧线的仿生学原理,以三轴加速度计为原型,设计了一种新型的四梁仿生矢量水声传感器结构,其中压敏元件共振隧穿结构(,)分别置于4个梁的根部,通过固定在中间方块上的声学柱体将微弱的水下声学信号转化为电学信号,具体结构如图1所示.粱图1仿生矢量水声传感器结构1.3刻蚀感应耦合等离子()刻蚀是一种高密度等离子刻蚀手段,具有刻蚀速率快,各向异性好等优点,被广泛应用到ⅲ/族半导体刻蚀工艺中.笔者采用控制孔技术,制作了梁厚10的基单梁一质量块结构_5,但由于刻蚀反应气体分布的不均匀性_6],同批次传感器梁厚存在很大差异,其最大刻蚀误差达到5;用显微拉曼光谱仪对被刻蚀梁测试后发现,材料的残余应力在100以上,严重影响了传感器性能.2/的选择性腐蚀试验2.1试验方法表1为中科院物理所采用分子束外延(,)技术生长的50试验片结构及尺寸.首先在半绝缘衬底上生长500重掺杂欧姆接触层,用于过腐蚀的电流终点检测,其上生长90的非掺杂腐蚀停止层,最后生长500非掺杂待腐蚀层.国外已有报道,用-,202[,丁二酸/22随和柠檬酸/22¨可以实现/1的湿法选择性腐蚀.笔者详细研究了50%柠檬酸/22腐蚀体系对/1的选择性腐蚀.50%柠檬酸是一水柠檬酸晶体(6807?20)与去离子水按质量比1:1制成的混合物,充分溶解一天以上后,与30%双氧水按照体积比2:1,3:1,4:1,5:1混合配成1,2,3,4号腐蚀液,试验在室温(22)下无搅拌进行.2.2结果与讨论将光刻后的试验片分成边长1小方块,分别浸泡在不同配比的腐蚀液中,腐蚀时间0—30,腐蚀后的试验片再用去离子水冲洗,氮气吹干,丙酮去胶后,用台阶仪进行测试.图2是不同腐蚀液配比下腐蚀深度随腐蚀时间的变化情况.采用2,3号腐蚀液腐蚀的腐蚀深度具有一个斜率很小的平台区,在约15时间内,腐蚀深度基本不变;取平均腐蚀速率=/(其中为腐蚀深度,为腐蚀时间)后发现,2种腐蚀液对的平均腐蚀速率分别达到6.778/,6.313/,对的平均腐蚀速率分别为0.086/,0.0965/;/灿的选择比分别为79,65左右.具体的腐蚀液对,灿平均腐蚀速率和选择比如图3所示.利用原子力显微镜()和扫描电镜()对试验片的表面粗糙度(,)和腐蚀面形貌进行了测试.结果表明,采用1,2,3,4号腐蚀液腐蚀后的表面粗糙度分别为17.2,7.64,42啪和23.6.同时,2号腐蚀液腐蚀后结构的测试表明,该腐蚀液具有很好的腐蚀各向异性.因此,最终?232?纳米技术与精密工程第5卷第3期鬟蜒曩藿时间/(8)1号腐蚀液(2:1)时间/()3号腐蚀液(4:1)图3平均腐蚀速率与选择比时间/()2号腐蚀液(3:1)图2腐蚀深度随时间变化情况确定2号腐蚀液((5%柠檬酸):(3%双氧水)=3:1)为最佳腐蚀配方.2.3选择性腐蚀机理腐蚀过程是试验片的氧化溶解过程,双氧水氧化,虬分别生成3,23和203,即2+62223+20+620其中代表和.柠檬酸中的再将试验片