異丙醇在硅堿性腐蝕液中的作用

劉曉偉，于 妍

(中國電子科技集團第四十六研究所，天津 300220)

1 異丙醇在硅堿性腐蝕液中的作用及原理

硅片堿腐蝕通常使用氫氧化鉀或氫氧化鈉溶液作為腐蝕液，硅與堿性腐蝕液反應的反應式為：

兩個電極的電極電位差E 0為：

E0＞0，所以反應可以自發(fā)地進行。硅材料的電化腐蝕，實際上是硅原子失去電子而被氧化的過程，因此，各種硅材料腐蝕的難易直接與它失去電子能力的強弱有關。以價電子導電的n型硅比帶正電子空穴導電的p型硅電級電位低，所以n型材料比p型材料更容易受到腐蝕。

而異丙醇在硅堿性腐蝕液中起到了緩沖腐蝕速率的作用，這是因為異丙醇的結(jié)構(gòu)具有2個親油基-CH3和1個親水基-OH。將異丙醇加入堿性腐蝕液后，親水基便成為活性因子附著到硅的表面，而親油基遠離硅的表面形成一層保護膜，從而起到降低反應速率的效果。然而親水基并不是完全垂直吸附與硅的表面，所以親油基所形成的保護膜，并不能完全阻擋硅與堿性腐蝕液的反應。當腐蝕液中的異丙醇濃度越高保護膜的覆蓋率就越高，從而更減緩了腐蝕的速率。

2 實驗的制備

實驗使用的硅片是<111>晶向的直拉n型單晶硅片，電阻率0.5～3Ω·cm，腐蝕液為KOH水溶液。首先，將硅片放入60℃的清洗劑中進行超聲清洗，清除在硅片加工過程中表面粘附的油污。然后，在不同的條件下，使用腐蝕液對硅片進行腐蝕并觀察實驗結(jié)果。選用的腐蝕液是NaOH和異丙醇的混合水溶液，反應槽用一塊玻璃板密封，以減少異丙醇在高溫下的揮發(fā)。最后，在10%的HF中浸泡去除硅片表面自然氧化層后，用去離子水沖洗干凈。

3 實驗結(jié)果及討論

3.1 異丙醇在腐蝕液中的含量對硅片表面的影響

腐蝕液含有50%的KOH，溫度85℃。腐蝕液中異丙醇的含量分別為3%，5%，10%，進行5 min的腐蝕，觀察表面的微觀形貌 (放大倍數(shù)為200倍)，結(jié)果如圖1，圖2和3所示。

圖1 腐蝕液中異丙醇含量為3%

圖2 腐蝕液中異丙醇含量為5%

經(jīng)過腐蝕后的硅片表面留下了許多深淺不一的腐蝕坑。從實驗結(jié)果可以看出經(jīng)異丙醇含量為3%的腐蝕液腐蝕后，硅片的表面腐蝕坑較深并且腐蝕坑大小各異，差距較大，表面比較粗糙。經(jīng)異丙醇含量為5%腐蝕液腐蝕后，硅片的表面腐蝕坑較淺，粗糙度有所降低。經(jīng)異丙醇含量為10%腐蝕液腐蝕后，硅片的表面腐蝕坑很淺，粗糙度得到了很大的改善。分析其原因，隨著異丙醇在堿性腐蝕液中含量的增大，使異丙醇在硅片表面形成的保護膜覆蓋率得到了提高，從而降低了硅片表面的粗糙度。

3.2 腐蝕液溫度對表面的影響

腐蝕液含有50%的KOH，異丙醇的含量為10%，反映時間分別為5 min,腐蝕液的溫度分別為85℃ 95℃ 110℃ 觀察表面的微觀形貌（放大倍數(shù)為 200倍），結(jié)果如圖 4，圖 5，圖 6所示。

圖4 腐蝕溫度為85℃

圖5 腐蝕溫度為95℃

圖6 腐蝕溫度為110℃

反應溫度升高，腐蝕速度增大。反應溫度過高時，腐蝕后的表面粗糙，易出現(xiàn)“桔皮”，這是局部反應激烈所致。硅的標準電極電位為-1.73 V，從熱力學角度看是很不穩(wěn)定的。易受到腐蝕。但是硅片在陽極腐蝕反應中生成的硅酸鹽會逐漸匯聚，形成溶膠，吸附在硅片表面阻礙腐蝕反應繼續(xù)進行，形成一種鈍化現(xiàn)象。只有把吸附的覆蓋層去掉，硅才能恢復原來的活性。升高腐蝕液反應得溫度，陰陽反應所產(chǎn)生的大量氫氣起到劇烈攪拌的作用。這不但可減少單分子硅酸的聚合，而且有利于以吸附的溶膠解吸，使陽極反應能夠順利進行，從而加快了腐蝕的速率，但也容易造成表面粗糙。但加入異丙醇后可以減緩反應速度，降低反應的激烈程度，這樣既可以保證腐蝕下去的厚度，也可以保證腐蝕速率的穩(wěn)定使“桔皮”現(xiàn)象消失。

4 討論及分析

4.1 腐蝕速率和光潔度的關系

對于同種晶向的硅片，其光潔度和腐蝕去除速率有關而與去除量無關。將相同的晶片分別放在不同溫度的腐蝕液中，在低溫腐蝕液中的晶片，通過增加腐蝕時間達到與高溫腐蝕液中硅片相同的去除量，前者的光潔度比后者要差得多。因此，要得到高光潔度的表面，必須保持一定的腐蝕速率，因此在腐蝕液中加入適當含量的乙丙醇可以保證晶片腐蝕速率的一致性，從而提高了晶片表面的光潔度。

4.2 化學腐蝕條件與拋光的關系

不同的化學腐蝕工藝對拋光的影響很大。如果化學腐蝕工藝選擇不當，腐蝕中會強化擇優(yōu)腐蝕，化學腐蝕片的表面粗糙度增大，必然造成拋光去除量的增加，影響拋光片的產(chǎn)量，增加生產(chǎn)成本。所以優(yōu)化的化學腐蝕工藝，在腐蝕液中加入乙丙醇使晶片的粗糙度降低從而使拋光去除量大大減小，生產(chǎn)率明顯提高。

5 結(jié)論

在硅單晶的堿性化學腐蝕中，要根據(jù)客戶的要求來選擇不同的溫度以及時間來對硅片的腐蝕。在向堿溶液中加入異丙醇，可以調(diào)節(jié)腐蝕的速度來降低腐蝕的激烈程度，從而達到調(diào)節(jié)粗糙度的作用，也可提高晶片表面的光潔度從而使拋光去除量大大減小，使其生產(chǎn)率有顯著的提高。

[1]朱力，莫慶時.硅材料堿腐蝕的試驗研究［J］.半導體技術，1988（2）：57-59.