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國立清華大學
工程與系統科學系
National
Tsing Hua
University ESS
ESS 5810 Lecture 10
體型微加工製程技術
曾繁根 助理教授
國立清華大學工程與系統科學系
微系統暨微熱流實驗室
MicroSystems
& MicroFluidics Lab
曾繁根
助理教授
Prof.
Fan-Gang
Tseng
國立清華大學 工程與系統科學系
矽體型微加工技術
• Introduction
• Isotropic Wet Etching
• Silicon Crystal Orientation
• Anisotropic wet etching
• Etching Stop
• Possible Shapes
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1. 矽體型微加工技術概論
l Definition of Bulk Micromachining:Based on the device shaping by
etching a bulk substrate.
l Materials used for bulk micromachining: single crystal silicon,
gallium arsenide, quartz, etc…
Wafer Surface
<100> Plane
Cantilevers
Pressure sensor
Cavity
Bridge
Nozzle
z
<001>
Plane <111>
Plane
Membrane
y
x
Silicon crystal
unit cube
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1. 矽體型微加工技術概論
Silicon as A Mechanical Material:
Major difference:
Silicon yields by fracturing (at room temp) while metals usually yield by
deforming inelastically—chipping, cleave along crystallographic planes.
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2. Silicon Isotropic Wet Etching-1
HNA system (HNO3+HF),
etching rate can be
50 μm/min:
a. Hole injection:
Si  HNO3  6HF  H 2 SiF6  HNO2  H 2 O  H 2 (bubbles )
b. Oxide formation:
HNO3  H 2 O  HNO2  2 HNO2  2OH   2h 
c. Oxide etching:
Si 4  4OH   SiO2  H 2
Total reaction:
6 HF  SiO2  H 2 SiF6  2 H 2 O
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2. Isotropic Wet Etching-2
Effects:
High HF Low HNO3: oxidation limit, rough surface
High HNO3 Low HF: etching limit, smooth surface
SZE
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2. Isotropic Wet Etching-3
Mask materials
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3. Silicon Crystal Orientation
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Miller index
1. Take the intercepts with three axes, say a, b, c
2. Take the reciprocal of these three integers, multiplied by
smallest common denominator, get miller indices (d,e,f)
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Wafer flat
<111>
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4-1. Anisotropic wet etching
(on <100> wafer)
Concentration ↑: etching rate↓ selectivity ↑ surface roughness↓
Temperature ↑: etching rate ↑ selectivity ↓ surface roughness↑
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4-1. Anisotropic wet etching
(on <100> wafer)
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Comparison
(110) wafer
(100) wafer
<110> direction
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<110>
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Undercut on convex corner
Concave and convex corner:
The surface revealed in concave corner is the
slowest one, however, it is the fastest one in
convex cases
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Corner compensation-1
KOH
B
Minimum=1.6 B
For EDP
For EDP
For KOH
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Corner compensation-2
EDP
(100)>(110)>(111)
KOH
(110)>(100)>(111)
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Method to get
90° and 45° wall
on
(100) silicon wafer
by bulk
micromachining
EDP
(100)>(110)>(111)
KOH
(110)>(100)>(111)
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Crystal orientation finding on (100) wafer
• <110>Wafer flat provide 2-5° accuracy
• Long slot give around 1 ° accuracy
• Circular squares along <110> side give 0.1 ° accuracy (80 m pitch)
0.06degree acuracy
3 cm
80 um
Tan-1(80/45000)
=0.1 °
33 um
m
D~9 c
1 degree acuracy
3 cm
m
524 u
Steckenborn, A et al, Micro System Technologies 91
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Crystal orientation finding on (100) wafer
(<110> direction)
F. G. Tseng, unreleased figures
<110> direction
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Possible shapes on (100) silicon wafer
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4-2. Anisotropic wet etching
(on <110> wafer)
(110)
<111>
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4-2. Anisotropic wet etching
(on <110> wafer)
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4-2. Anisotropic wet etching
(on <110> wafer)
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4-2. Anisotropic wet etching
(on <110> wafer)
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Crystal orientation finding on (110) wafer
• <111>Wafer flat provide 2-5° accuracy
• Long slot give around 1 ° accuracy
• Circular squares along <100> side give 0.06 ° accuracy (35 m pitch)
F. G. Tseng, K. C. Chang, ASME IMECE MEMS’01, JMM.
109.5°
<100>
<111>
<110>
55
r
Alignment
Circles
x
R
R=48.9mm
(110) wafer


360
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
( 6 )r  x
2R
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Crystal orientation finding on (110) wafer
(<100> direction)
<100> direction
-1
Center hexagon
1
-1
0
0
1
2
0
3
4
30 μm
1
30 μm
2
5
4
5
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Possible Shape on (110) silicon wafer
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4-3. Anisotropic wet etching
(on <111> wafer)
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5. Etching Stop-1
High Boron Concentration:
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5. Etching Stop-2
Electrochemical etch stop:
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6. Bulk Micromachining by Dry Etching
Deep silicon RIE:
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7. 正八面體晶體輔助工具
<100>
<111>
<110>
ESS 5850
Fan-Gang Tseng
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