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蚀刻加工能力


蚀刻加工工艺是新式加工艺,也可以是认为冲压,线割等工艺的延伸。冲压是一种固定的模式,线割是和种可编程更改设计的模式,而蚀刻加工是一种可变换设计,可操控性强并且也有冲压工艺所具备的大批量生产的能力。

那么蚀刻加工到底有哪些能力呢?
1、不锈钢的蚀刻加工能力。不锈钢材质是最常见的材料,也是目前很多产品最常用的材料。不锈钢分门别类有多种牌号,多种硬度,多种成份,一般分为SUS200系例,SUS300系例,SUS400系例等。蚀刻加工不锈钢的能力通常针对以上几个系例的材料。一般其材料厚度从0.03-1.0mm。不锈钢材料的厚度也限制了蚀刻加工能力。并不是所以的厚度都是可以蚀刻的。通常,蚀刻加工不锈钢的能力限制在厚度1mm以下。
2、铜材的蚀刻加工能力。铜材也是最方便蚀刻的一种材料,相对于不锈钢来说,它的侧蚀刻性能控制的会更好。因为铜材相对于不锈钢来说,材质偏软,在蚀刻的过程中更容易对其腐蚀,所以铜材的蚀刻加工能力还是很强的。
3、超薄材料的蚀刻加工能力。相对于冲压工艺,特别是对一硬材质材料和超薄材料,冲压是存在限制和难点的:主要体现在冲压会造成一些精密零件的材料变形,零件侧边缘会存在卷边毛剌。而这恰恰是有些零件精密产品所不允许的!而一旦冲压模具确定好后,想要更改的话,就会造成大量的模具成本的浪费。而蚀刻加工正好可以解决冲压工艺所不能达到的要求。蚀刻加工可以针对超薄材料进行随进的模版更改设计,而其成本在大批量生产的情况下,甚至可以忽略不计。而且蚀刻工艺不会对材料和零件产生毛剌。光滑的零件表面完全可满足产品装配的要求。
4、对一些槽的蚀刻加工能力。往往一些产品如不锈钢或铜或铝材质等产品,会要求在材料的表面进行槽的加工。一般机械加的模式都是用刀具进行铣切。数量少的情况下,可以少量加工,但是若产品存在大量的这种槽,机加工的能力就凸显出严重的不足。这时候,蚀刻加工也可以很好的解决这种材料表面槽的加工。

以下将介绍半导体制程中常见几种物质的湿式蚀刻:硅、二氧化硅、氮化硅及铝。
5-2-1 硅的湿式蚀刻
在半导体制程中,单晶硅与复晶硅的蚀刻通常利用硝酸与氢氟酸的混合液来进行。此反应是利用硝酸将硅表面氧化成二氧化硅,再利用氢氟酸将形成的二氧化硅溶解去除,反应式如下:
Si + HNO3 + 6HF à H2SiF6 + HNO2 + H2 + H2O

上述的反应中可添加醋酸作为缓冲剂(Buffer Agent),以抑制硝酸的解离。而蚀刻速率的调整可藉由改变硝酸与氢氟酸的比例,并配合醋酸添加与水的稀释加以控制。

在某些应用中,常利用蚀刻溶液对于不同硅晶面的不同蚀刻速率加以进行(4)。例如使用氢氧化钾与异丙醇的混合溶液进行硅的蚀刻。这种溶液对硅的(100)面的蚀刻速率远较(111)面快了许多,因此在(100)平面方向的晶圆上,蚀刻后的轮廓将形成V型的沟渠,如图5-2所示。而此种蚀刻方式常见于微机械组件的制作上。

2 二氧化硅的湿式蚀刻

在微电子组件制作应用中,二氧化硅的湿式蚀刻通常采用氢氟酸溶液加以进行(5)。而二氧化硅可与室温的氢氟酸溶液进行反应,但却不会蚀刻硅基材及复晶硅。反应式如下:

SiO2 + 6HF=H2 + SiF6 + 2H2O

由于氢氟酸对二氧化硅的蚀刻速率相当高,在制程上很难控制,因此在实际应用上都是使用稀释后的氢氟酸溶液,或是添加氟化铵作为缓冲剂的混合液,来进行二氧化硅的蚀刻。氟化铵的加入可避免氟化物离子的消耗,以保持稳定的蚀刻速率。而无添加缓冲剂氢氟酸蚀刻溶液常造成光阻的剥离。典型的缓冲氧化硅蚀刻液(BOE : Buffer Oxide Etcher)(体积比6:1之氟化铵(40%)与氢氟酸(49%))对于高温成长氧化层的蚀刻速率约为1000Å/min。

在半导体制程中,二氧化硅的形成方式可分为热氧化及化学气相沉积等方式;而所采用的二氧化硅除了纯二氧化硅外,尚有含有杂质的二氧化硅如BPSG等。然而由于这些以不同方式成长或不同成份的二氧化硅,其组成或是结构并不完全相同,因此氢氟酸溶液对于这些二氧化硅的蚀刻速率也会不同。但一般而言,高温热成长的氧化层较以化学气相沉积方式之氧化层蚀刻速率为慢,因其组成结构较为致密。

5-2-3氮化硅的湿式蚀刻

氮化硅可利用加热至180°C的磷酸溶液(85%)来进行蚀刻(5)。其蚀刻速率与氮化硅的成长方式有关,以电浆辅助化学气相沉积方式形成之氮化硅,由于组成结构(SixNyHz相较于Si3N4) 较以高温低压化学气相沉积方式形成之氮化硅为松散,因此蚀刻速率较快许多。

但在高温热磷酸溶液中光阻易剥落,因此在作氮化硅图案蚀刻时,通常利用二氧化硅作为屏蔽。一般来说,氮化硅的湿式蚀刻大多应用于整面氮化硅的剥除。对于有图案的氮化硅蚀刻,最好还是采用干式蚀刻为宜。

5-2-4铝的湿式蚀刻

铝或铝合金的湿式蚀刻主要是利用加热的磷酸、硝酸、醋酸及水的混合溶液加以进行(1)。典型的比例为80%的磷酸、5%的硝酸、5%的醋酸及10%的水。而一般加热的温度约在35°C-45°C左右,温度越高蚀刻速率越快,一般而言蚀刻速率约为1000-3000 Å /min,而溶液的组成比例、不同的温度及蚀刻过程中搅拌与否都会影响到蚀刻的速率。

蚀刻反应的机制是藉由硝酸将铝氧化成为氧化铝,接着再利用磷酸将氧化铝予以溶解去除,如此反复进行以达蚀刻的效果。

在湿式蚀刻铝的同时会有氢气泡的产生,这些气泡会附着在铝的表面,而局部地抑制蚀刻的进行,造成蚀刻的不均匀性,可在蚀刻过程中予于搅动或添加催化剂降低接口张力以避免这种问题发生


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