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在微電子和機(jī)械元件中，各種金屬因其各自的電、光、化學(xué)或機(jī)械特性而被使用。鋁、鉻、金和銅等元素也可以是濕化學(xué)結(jié)構(gòu)，它們特別常見。
本章描述了用不同的蝕刻混合物蝕刻這些金屬的具體方法，以及用于蝕刻的抗蝕劑掩模的處理方法。本章中所有標(biāo)有星號(hào)(*)的物質(zhì)是指最后一節(jié)中列出的相應(yīng)物質(zhì)的常用濃度。
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鋁的蝕刻
鋁的性能及應(yīng)用領(lǐng)域
鋁的密度為2.7 g/cm3，因此屬于輕金屬。其晶體結(jié)構(gòu)為立方面心型。由于鋁的高導(dǎo)電性，它被用作微電子學(xué)中的導(dǎo)體，在微電子學(xué)中，鋁經(jīng)常與銅形成合金以防止電遷移，或者與硅形成合金以防止(消耗硅的)鋁硅合金的形成。
標(biāo)準(zhǔn)電位為-1.66伏，鋁不屬于貴金屬。然而，非常薄(幾納米)的Al2O 3膜的形成使得它在許多物質(zhì)中非常惰性。
鋁蝕刻劑
典型的鋁蝕刻劑包含1 - 5 %的硝酸*(用于鋁氧化)、65 - 80 %的H3PO 4*用于蝕刻天然氧化鋁以及由硝酸、乙酸穩(wěn)定地新形成的氧化物，以改善蝕刻溶液對(duì)襯底的潤(rùn)濕，以及用于硝酸和水的緩沖，以在給定溫度下調(diào)節(jié)蝕刻速率。
鋁也可以用堿性液體蝕刻，例如。用稀釋的氫氧化鈉或氫氧化鉀。然而，光致抗蝕劑掩模不適合這種情況，因?yàn)橄鄳?yīng)的高酸堿度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)溶解抗蝕劑膜層，或者在交聯(lián)負(fù)性抗蝕劑的情況下會(huì)將其剝離。
鋁蝕刻的均勻性?
例如，當(dāng)使用磷酸作為典型鋁蝕刻混合物的成分，溶解鋁表面存在的幾納米厚的天然氧化鋁膜時(shí)，實(shí)際的鋁蝕刻開始。因此，光致抗蝕劑處理也影響后續(xù)的鋁蝕刻步驟:
鋁蝕刻開始，因此蝕刻深度或時(shí)間不同
蝕刻反應(yīng)中氫的形成對(duì)于均勻的蝕刻結(jié)果也是有問題的。不斷產(chǎn)生的H2氣泡粘附在表面，并通過抑制新鮮蝕刻介質(zhì)的供應(yīng)來阻止蝕刻過程。在這種情況下，通過短暫浸入水中，至少暫時(shí)去除H2氣泡，有助于多次中斷蝕刻過程。
兼容性和選擇性
我們所有的光致抗蝕劑在H3PO 4/HNO 3基蝕刻混合物中足夠穩(wěn)定，可以用作抗蝕劑掩模，至少在足夠的硬烘焙之后。
基于H3PO 4/HNO 3混合物的鋁蝕刻的蝕刻速率強(qiáng)烈依賴于溫度，并且每升高幾度，蝕刻速率就增加一倍。僅含百分之幾硅的鋁合金具有與純鋁相似的腐蝕速率。
這種鋁蝕刻劑對(duì)銅的蝕刻比鋁大得多，對(duì)鎳的蝕刻相對(duì)較弱。鈦、鉻和銀沒有明顯的蝕刻，貴金屬如金、鉑根本沒有蝕刻。
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鉻的蝕刻
鉻的性能及應(yīng)用領(lǐng)域
鉻由于其高硬度和對(duì)許多材料的良好粘附性，被用于生產(chǎn)光掩模的微結(jié)構(gòu)領(lǐng)域以及隨后應(yīng)用的金屬薄膜的增粘劑。
鉻蝕刻劑
鉻蝕刻劑通?；谙跛徕嬩@(NH4)2[Ce(NO 3)6]和高氯酸(HClO 4)作為任選的添加劑。高氯酸在水溶液(PKS值<-8)中幾乎完全分解為一種極強(qiáng)的酸，并作為一種強(qiáng)氧化劑用于穩(wěn)定硝酸鈰銨。硝酸鈰銨本身是一種非常強(qiáng)的氧化劑。硝酸鈰銨和高氯酸腐蝕鉻的總公式為
?3(NH4)2Ce(NO3)6+Cr/Cr(NO3)3+3(NH4)2Ce(NO3)5
根據(jù)該方法，鈰從氧化階段ⅳ被還原為ⅲ，鉻被氧化為氧化階段ⅲ。硝酸鉻在蝕刻過程中會(huì)在鉻層上形成一層黑色的、不斷形成的新層，它非常易溶于水，因此也非常易溶于鉻酸鹽蝕刻劑。
兼容性和選擇性
我們所有的光刻膠在用作光刻膠掩模的硝酸鈰銨和高氯酸基蝕刻混合物中都足夠穩(wěn)定。
銅、銀和釩被這種蝕刻混合物強(qiáng)烈蝕刻。鋁、鈦、鎢和鎳僅經(jīng)歷微弱的蝕刻。貴金屬金、鉑和鈀不被蝕刻。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)銅與鉻(電)接觸時(shí)，鉻的蝕刻速率會(huì)大大降低。
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金的蝕刻
金的性質(zhì)及應(yīng)用領(lǐng)域
金是一種密度非常高的金屬，為19.3克/立方厘米，其晶體結(jié)構(gòu)為立方面心型。標(biāo)準(zhǔn)電位+1.5，金屬于貴金屬。電子構(gòu)型[Xe] 4f145 d106 s1強(qiáng)烈阻止了金的氧化:完全占據(jù)的5 d軌道延伸到單價(jià)電子之外，從而很好地屏蔽了任何反應(yīng)伙伴。
因此，金的濕法化學(xué)蝕刻需要強(qiáng)氧化劑來分離未配對(duì)的價(jià)電子，還需要絡(luò)合劑來抑制氧化的金原子重新組裝回晶體中。
憑借這種對(duì)大多數(shù)酸和堿的高化學(xué)穩(wěn)定性，金在微電子學(xué)中被用作電觸點(diǎn)或其保護(hù)材料。
鹽酸/HNO 3浸金
硝酸和鹽酸的混合物(混合比例為1 : 3，也稱為王水)能夠在室溫下蝕刻黃金。這種混合物非常強(qiáng)的氧化作用源于亞硝酰氯(NOCl)通過硝酸+ 3 HCl → NOCl + 2 Cl + 2 H2O的反應(yīng)形成，而溶液中形成的游離Cl自由基保持貴金屬溶解為Cl-絡(luò)合物(氯金酸= HAuCl4)。王水消耗自身，并在形成氮?dú)夂吐葰獾那闆r下分解。
王水對(duì)金的蝕刻率約為。10微米/分鐘(在室溫下)，在高溫下可以增加到幾個(gè)10微米/分鐘。
鈀、鋁、銅和鉬也在室溫下用王水蝕刻。為了蝕刻鉑或銠，必須加熱蝕刻溶液以獲得合理的蝕刻速率。銥的蝕刻需要強(qiáng)烈加熱(沸騰)的王水。
由于氯化銀鈍化膜的形成，銀不會(huì)受到王水的侵蝕。鉻、鈦、鉭、鋯、鉿和鈮也形成非常穩(wěn)定的鈍化膜(在許多情況下是金屬氧化物)，至少在室溫下保護(hù)金屬免受王水的侵蝕。出于同樣的原因，鎢在王水中顯示出非常慢的蝕刻速率。
碘化鉀/碘浸金
金和碘通過2 Au + I2 → 2 AI形成碘化金。通過向溶液中加入碘化鉀來提高人工智能的溶解度。碘/碘化物可以被其他鹵化物取代，但不能形成可溶性金化合物的氟化物除外。
在混合比KI : I2 : H 2O = 4 g : 1 g : 40 ml下，室溫蝕刻速率約為。獲得1微米/分鐘的黃金。銅顯示出相當(dāng)?shù)奈g刻速率，而鎳只有在與金接觸時(shí)才會(huì)被蝕刻。
用氰化物蝕刻金
劇毒氰化鈉(氰化鈉)或劇毒氰化鉀(KCN)的水溶液通過形成可溶性氰基絡(luò)合物溶解金。該反應(yīng)需要空氣中的氧氣，或者通過分解添加到蝕刻溶液中的過氧化氫H2O 2來提供氧氣。
除了金，氰化物溶液還會(huì)腐蝕銀和銅，它們也會(huì)形成水溶性氰基絡(luò)合物。
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銅蝕刻
銅的性能及應(yīng)用領(lǐng)域
由于其高導(dǎo)電性和與銀相比較低的成本，銅被廣泛用作微電子和印刷電路板中的導(dǎo)體材料。由于缺乏通過等離子體蝕刻進(jìn)行干化學(xué)結(jié)構(gòu)化的可能性，因此必須為此目的使用濕化學(xué)蝕刻方法，如果必要的話，結(jié)合隨后的電鍍強(qiáng)化。
銅蝕刻
銅被硝酸和飽和的30%三氯化鐵溶液蝕刻。NH 4OH和H 2O 2的混合物也會(huì)腐蝕銅。
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鎳蝕刻
鎳的性能及應(yīng)用領(lǐng)域
密度為8.9 g/cm3的過渡金屬鎳是重金屬之一。其晶體結(jié)構(gòu)為立方面心型。由于其硬度和高耐化學(xué)性，鎳涂層被用作表面的防化學(xué)和機(jī)械腐蝕保護(hù)。
鎳蝕刻
氧化性酸在鎳表面覆蓋一層鈍化氧化層，防止進(jìn)一步腐蝕。因此，鎳蝕刻混合物需要一種能夠溶解最初存在的以及不斷形成的氧化物的介質(zhì)，以及一種氧化劑。
像鈦一樣，鎳可以使用H2O 2(用于鎳的氧化)和氟化氫(氧化物的溶解)進(jìn)行蝕刻。作為氧化劑，可以使用硝酸和鹽酸代替氟化氫。30%氯化鐵水溶液也能腐蝕鎳。
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銀蝕刻
銀的性質(zhì)及應(yīng)用領(lǐng)域
貴金屬銀的晶體結(jié)構(gòu)是立方面心立方。銀的導(dǎo)電性是所有金屬中最高的，在微電子學(xué)中用作導(dǎo)體材料，與銅相比，對(duì)最大導(dǎo)電性的要求保證了較高的材料成本。
銀蝕刻
相應(yīng)的蝕刻溶液需要一種氧化銀的成分，以及另一種溶解氧化銀的成分。
除了在“金蝕刻”一節(jié)中描述的KI / I2 / H 2O蝕刻溶液外，銀也通過NH 4OH * : H 2O 2*:甲醇= 1 : 1 : 4蝕刻。有毒的甲醇不是強(qiáng)制成分，可以省略，但會(huì)損失蝕刻均勻性，或者用水代替。銀的另一種蝕刻混合物是硝酸∶鹽酸∶H2O = 1∶1∶1的水溶液。
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鈦蝕刻
鈦的性能及應(yīng)用領(lǐng)域
在微結(jié)構(gòu)中，鈦通常被用作非常堅(jiān)硬和耐腐蝕的金屬，作為基底和沉積在其頂部的金屬之間的粘合層。作為硅和鋁之間的隔離層，它用作防止硅在鋁中擴(kuò)散的屏障，以防止所謂的“鋁尖峰”，其中鋁差異進(jìn)入由所用硅留下的空間，從而可能導(dǎo)致短路。
鈦蝕刻
鈦在空氣中形成非常穩(wěn)定的氧化層，通過氟化氫進(jìn)行蝕刻，因此氟化氫通常是鈦蝕刻劑的一種成分。H2O 2適合作為第二組分氧化下層。在HF* : H 2O 2* : H 2O = 1 : 1 : 20的混合比例下，鈦可以在室溫下用大約。1米/分鐘。
標(biāo)準(zhǔn)濃度
本章中提及并標(biāo)有(*)的所有物質(zhì)的所有濃度數(shù)據(jù)均指以下基本濃度:
鹽酸* = 37 %鹽酸在H2O HNO 3* = 70 %硝酸在H 2O H 2SO 4中* = 98 %硫酸在H 2O HF中* = 50 % HF在H2O H 2O 2中* = 30 % H2O 2在H 2O H 3PO 4中* = 85 % H3PO 4在H2O中NH 4OH * ?= 29 % NH3 in H 2O ? CH 3COOH * = 99 % CH3COOH in H 2
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