适形各向异性湿法腐蚀工艺中表面活性剂的吸附机制与模型研究

适形湿法腐蚀能以很小切角、高表面质量、良好遵从掩膜图形的特点进行微结构的体硅各向异性加工。其工艺参数仅限于特定浓度的腐蚀液添加特定量的表面活性剂情况。本项申请从理论和实验两方面探讨非离子表面活性剂在单晶硅表面的吸附特性，解释适形腐蚀工艺条件下发生的选择性大幅抑制(110)临近晶面腐蚀速率现象的机理。项目以基础晶面以及6个晶面族上的典型晶面为对象，分析表面活性剂吸附密度的晶面相关性，测定吸附活化能。以(h, k, l)晶面上不同的Si-H和Si-OH基密度为参数，测定表面活性剂吸附密度与腐蚀液浓度的相关性。本项申请还将结合实验数据建立动力学蒙特卡罗计算模型，在微观尺度上描述表面活性剂吸附和硅表面腐蚀的微观相互作用，模拟该项工艺，为适形腐蚀工艺参数优化和微结构的设计提供计算方法。

表面活性剂一直被看作改善腐蚀表面质量的重要手段在MEMS工艺研究中备受关注。但是仅仅在某些特定的腐蚀液浓度条件下配合一定量的表面活性剂，可以选择性抑制某些晶面族的腐蚀速率，其他晶面族上仍然具有很高的刻蚀速率,使得各向异性腐蚀加工能够依照掩膜形状进行，刻蚀表面精度高,显示出特殊的适形加工的特点。. 本项研究提出了表面活性剂吸附密度的晶面相关性及吸附密度和腐蚀液浓度相关性的理论，依据实验数据建立了基于原子模型的动力学蒙特卡罗法模型，解释了在特定浓度下各向异性湿法腐蚀液对(110)临近晶面腐蚀速率产生选择性抑制的问题，提出的方法具备选择优化的工艺参数能力,从而达到最佳各向异性适形腐蚀条件。. 根据基础晶面上的测试与分析结果，把活性剂吸附的晶面相关性建立在不同晶面的Si-H基密度对吸附的影响不同的基本假设上。吸附的浓度相关性是因为不同浓度的腐蚀液的腐蚀反应造成硅表面的Si-H和Si-OH基数量比例的变化，改变了单晶硅表面的疏水的性质，这两种因素共同促成了(110)临近晶面腐蚀速率的大幅选择性抑制现象。. 提出了一种混合进化算法的动力学蒙特卡罗湿法刻蚀新工艺模型，利用表面原子移除概率函数，依据单晶硅6个晶面族典型晶面的刻蚀速度，依据宏观表面刻蚀速率搜索获得基于原子模型的蒙特卡罗法能量参数。改进的表面原子移除概率函数采用新的表面原子配置分类法，更加精确地描述刻蚀反应中表面结构的变化过程，优于目前报道的工艺模型。在多种刻蚀系统，不同浓度和温度条件下的计算结果与试验数据对比表明，任意(h,k,l)晶面的各向异性刻蚀速度曲线能够与试验结果一致。.与现有方法相比，新方法中的移除概率函数能够表示刻蚀速度各向异性曲线在 Si(100)和 Si(110)临近晶面同时出现局部最小点的情形，并且在多种刻蚀环境下计算精度显著提高，特别在表面活性剂作用的情况下(TMAH+Triton)获得很好的效果。. 最后通过对三维微结构刻蚀过程的准确模拟，验证了蒙特卡罗工艺模型的有效性。应用本研究理论工作所开发的工艺模拟系统，目前已经在欧美日MEMS产业公司的器件设计开发中得到了较好的应用。