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引言
新的微電子產(chǎn)品要求硅(Si)晶片變薄到厚度小于150 μm。機(jī)械研磨仍然會(huì)在晶片表面產(chǎn)生殘余缺陷，導(dǎo)致晶片破裂，表面粗糙。因此，化學(xué)蝕刻方法主要用于生產(chǎn)具有所需厚度的光滑表面的可靠薄晶片。本文研究了在硝酸和氫氟酸的混合溶液中，不同濃度的硝酸對(duì)硅片總厚度和重量損失、腐蝕速率、形貌和結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，總厚度和失重率隨著硝酸濃度和腐蝕時(shí)間的增加而增加。硝酸濃度越高，蝕刻速度越快，蝕刻時(shí)間越長，蝕刻速度越慢。隨著腐蝕時(shí)間和硝酸濃度的增加，光學(xué)顯微鏡觀察到更光滑、更清晰的均勻硅表面圖像。XRD分析表明，腐蝕后硅片的強(qiáng)度比純硅片的強(qiáng)度高，這可能表明腐蝕后硅片表面更光滑。本研究的發(fā)現(xiàn)對(duì)于生產(chǎn)集成電路制造中關(guān)鍵的可靠的、理想的硅晶片具有重要的參考價(jià)值。
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介紹
薄晶片已經(jīng)成為各種新型微電子產(chǎn)品的基本需求。這些產(chǎn)品包括功率器件、分立半導(dǎo)體、光電元件和用于射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)的集成電路。微觀世界的新概念機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件要求將晶片減薄到厚度小于150 μm。由于其高減薄率，機(jī)械研磨是最常用的晶片減薄技術(shù)。市場上可買到的研磨系統(tǒng)通常采用兩步法，首先以高速(5米/秒)進(jìn)行粗磨，然后以較低的速度(1米/秒)進(jìn)行細(xì)磨，以去除大部分粗磨步驟產(chǎn)生的損壞層。然而，在晶片表面附近仍然存在缺陷帶。該缺陷區(qū)的厚度取決于磨削條件。殘余缺陷會(huì)在變薄的晶片中產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致額外的彎曲，并導(dǎo)致晶片破裂。最具成本效益的工藝是濕法蝕刻。與機(jī)械研磨相比，在背面使用最終濕法蝕刻工藝減薄的晶片將具有更小的應(yīng)力。晶片破損將會(huì)減少，并且在切割芯片后，將會(huì)有更少的裂縫和芯片脫落。
新的微電子產(chǎn)品要求將晶片減薄到所需的厚度。晶圓片表面上的殘留缺陷，導(dǎo)致晶圓片破裂，機(jī)械研磨仍會(huì)產(chǎn)生粗糙表面。在本研究中使用蝕刻工藝來生產(chǎn)具有期望厚度的光滑表面的可靠的薄晶片。IPA濃度和蝕刻時(shí)間對(duì)堿性溶液中蝕刻的mc-Si上的金字塔表面結(jié)構(gòu)的影響。研究了硅在添加羥胺的20重量% KOH中的蝕刻行為，用于制造大塊微加工MEMS，蝕刻速率和鉆蝕顯著提高。與普通蝕刻劑相比，高蝕刻速率對(duì)于在更短的時(shí)間內(nèi)獲得更大的蝕刻深度非常有用。
在本研究中，我們研究了在氫氟酸和不同濃度硝酸的混合溶液中，硝酸濃度對(duì)硅片總厚度和重量損失、腐蝕速率、形貌和結(jié)構(gòu)特性的各向同性濕法腐蝕效應(yīng)。用重量法測量總厚度和失重率，用光學(xué)顯微鏡獲得形貌圖像，用XRD表征晶體結(jié)構(gòu)。
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結(jié)果和討論
圖1和圖2分別顯示了在20重量%、23重量%和26重量%的三種不同HNO3濃度下與48重量% HF混合蝕刻的Si的總厚度和重量損失與蝕刻時(shí)間的關(guān)系。當(dāng)HF和HNO3兩種酸混合在一起時(shí)，蝕刻過程將是活躍的，這取決于蝕刻劑濃度的百分比和待蝕刻的Si晶片的初始厚度。HF和HNO3的混合物的密度和粘度更接近于水[8]。因此，這種混合物的傳質(zhì)阻力或有效傳遞膜的厚度可能相當(dāng)?shù)?。向不參與蝕刻反應(yīng)的混合物中添加粘稠酸不會(huì)改變化學(xué)動(dòng)力學(xué)，但會(huì)因粘度增加而增加傳質(zhì)[8]。如果初始厚度非常薄，蝕刻劑濃度的百分比將低于初始濃度。這是因?yàn)槿绻麅煞N原始百分比濃度沒有混合在一起，硅片將被蝕刻得更快和更劇烈，從而導(dǎo)致更大的變化。
在本研究中，由于硅晶片的初始厚度僅為660 μm。因此，基于目前的結(jié)果，對(duì)于48 wt% HF/ 26 wt% HNO3，硅晶片的總厚度和重量損失的百分比變化給出了最好的硅減薄效果，這對(duì)于在微電子器件中使用是必不可少的。
圖一 總厚度損失與蝕刻時(shí)間的關(guān)系
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圖二 總重量損失與蝕刻時(shí)間的關(guān)系
隨著蝕刻時(shí)間的增加，這表明可以執(zhí)行可控的硅減薄工藝，以便獲得期望的硅晶片厚度。此外，值得注意的是，當(dāng)硝酸腐蝕液濃度增加時(shí)，硅片的腐蝕速率也增加。這種效應(yīng)可歸因于硝酸注入的空穴對(duì)硅表面的氧化作用導(dǎo)致Si上的HF更快地溶解二氧化硅。對(duì)于26 wt%硝酸，硅晶片獲得的最大厚度損失腐蝕速率為0.0718 %/s，隨后是23 wt %和20 wt %硝酸，最大腐蝕速率分別為0.0657 %/s和0.0278 %/s。這意味著可以根據(jù)制造條件選擇合適的蝕刻速度。對(duì)于由總重量損失確定的蝕刻速率，可以觀察到類似的效果，其中26 wt% HNO3的蝕刻速率是這些濃度中最高的，其次是23 wt %和20 wt % HNO3。
圖8描繪了在不同蝕刻時(shí)間用23 wt% HNO3濃度蝕刻的Si晶片的典型XRD光譜。從圖中可以看出，腐蝕硅片的強(qiáng)度高于純硅片，并且隨著腐蝕時(shí)間的增加而增加，這也可能表明由于腐蝕后二氧化硅的去除，表面形成得更光滑。從圖中可以觀察到純硅和蝕刻硅晶片的兩個(gè)主峰，這可能對(duì)應(yīng)于體硅和拋光硅表面平面的反射。隨著HNO3濃度的增加，兩個(gè)峰都略微向較低值2移動(dòng)，表明Si中原子層的面內(nèi)間距(d值)較高。對(duì)于20重量%和26重量%的其他硝酸濃度，也觀察到類似的效果，這是至關(guān)重要的在集成電路制造中。
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總結(jié)
綜上所述，浸泡在硝酸和氫氟酸混合溶液中的硅的腐蝕速率和重量損失隨著腐蝕時(shí)間和硝酸濃度的增加而增加。由于拋光效應(yīng)，當(dāng)在較高的腐蝕時(shí)間和硝酸濃度下腐蝕時(shí)，觀察到光滑和均勻的Si結(jié)構(gòu)。XRD結(jié)果表明，腐蝕硅片的強(qiáng)度比純硅片高隨著蝕刻時(shí)間的增加而增加。用26重量% HNO3和48重量% HF的混合物腐蝕的硅片給出了最好的腐蝕速率。目前的腐蝕研究表明，腐蝕后的硅有可能適合于微電子產(chǎn)品制造中的薄型封裝。