详解硅的晶面及应用

文章来源：金末

原文作者：芯云知

研究人员利用硅(100)、(110)和(111)晶面的不同特性对其进行各向异性湿法腐蚀，从而制备出不同的结构，这是半导体工艺中常用的加工方法。  

单晶硅的晶体结构与金刚石相同，是典型的面心立方晶胞结构，其最小单元是由五个原子构成的一个正四面体。正四面体的每个顶角原子，又为相邻四个四面体所共有，这样由许多个结构最小单元构成单位晶胞。由于晶体的微观各向异性，故硅晶体中不同晶面上原子的分布情况是不相同的。其中，(111)面的原子密度是最大的，(110)面次之，(100)面最小。

图1 硅的不同晶面示意图

(100)晶面

采用KOH或TMAH对(100)型硅片的各向异性湿法腐蚀，不管掩膜图形简单还是复杂，也不管腐蚀过程，最终形成的是(100)面与4个停止面(111)面成54.74°夹角的四棱锥V槽。硅(100)晶面的各向异性湿法腐蚀在MEMS里面是最常见的加工技术，如制备微针、凸台结构和凹槽结构等，成功应用在包括硅压力传感器、加速度计、扫描探针等器件。

图2 (100)晶面各向异性湿法腐蚀示意图

(110)晶面

在MEMS加工里，(110)晶面的使用场景比(100)少很多。这里以在(110)硅片上制作MEMS光开关为例，通过KOH溶液各向异性腐蚀得到光开关的微反射镜，其质量高于用同样方法在(100)硅片上制作的器件。(110)硅片上难以实现(100)硅片上的V型槽，沿着与微反射镜面成70.53°的方向上，用 KOH 定向腐蚀液在(110)硅片上制作出一列错开的成70.53°的平行四边形蚀坑。这一列并置的平行四边形蚀坑构成了一个锯齿状沟槽，光纤就置于该沟槽内，其位置由沟壁两侧的齿尖限定而准确定位。  

图3 采用(110)硅制备微反射镜的示意图

另外，在(110)衬底上可以将掩膜图形与(110)和(100)面交线方向成适当角度，得到与(110)面垂直的(111)面，利用该腐蚀方法可以获得类似干法刻蚀所制备的高深宽比的腐蚀槽。

图4 (110)晶面各向异性湿法腐蚀示意图

(111)晶面

用干法刻蚀出一定深度的两条长方形微槽，如下图(a)深色区域所示，对其进行侧壁保护后再刻蚀牺牲层，然后进行KOH或TMAH各向异性湿法腐蚀。湿法腐蚀将沿单晶硅片内部横向进行腐蚀，最终腐蚀终止面为(111)面，释放完全后形成的嵌入式腔体投影如下图(a)中六边形阴影部分所示。下图(b)~(d)分别为释放完全后的Ａ-Ａ'，Ｂ-Ｂ'和Ｃ-Ｃ'三个截面图。只要合理设计可动结构以及优化可动结构晶向排布方式，并对结构进行侧壁保护，即可实现硅片内部选择性横向腐蚀释放可动结构。  

图5 (111)晶面硅各向异性湿法腐蚀示意图  

审核编辑：汤梓红