晶体各向异性蚀刻问题理论与方法研究

The purpose of this research is to study the theory and method of crystal anisotropic etching. It is based on the laws of physics when crystal lattice structure peeling due to the chemical force. Through the full understanding of the physics laws and the introduction of appropriate mathematical methods high accuracy prediction and control of etching process is possible. Anisotropic etching of a semiconductor crystal is one of the basic technology of MEMS manufacturing, one of the international bottlenecks of quartz MEMS technology is to control the accuracy of wafer processing stage. The precision control depends on the precise simulation of etching process. The use of the simulation system in the development of the method can reduce the trial and error procedure, shorten the processing time, improve the yield and reduce the cost. This project has already completed the two-dimensional simulation system, the simulation system for sale in the international market are two-dimensional version, and due to the lack of anisotropic etching rate database with high accuracy, the applicability and accuracy of them is less than that of the our previous results. At present, there is not yet a perfect three-dimensional simulation system. The results of the three-dimensional simulation system of this project can be more accurate and comprehensive in prediction and guidance of processing design.

本课题旨在对晶体的各向异性蚀刻进行理论研究和方法开发。它的理论基础是晶体的晶格结构在化学作用力下有规律剥离这一物理规律，本课题通过对这一物理规律的充分理解并引入恰当的数学方法可做到极高精度的预见和控制蚀刻过程。半导体晶体的各向异性蚀刻是微机电制造的基本工艺之一，国内外石英微机电技术的研究瓶颈之一在于晶片加工阶段的精度控制，而精度控制很大程度上取决于是否能精确仿真蚀刻过程并据此设计蚀刻工艺。在方法开发方面仿真系统的使用可减少试错过程从而缩短工艺时间，提高成品率并缩减成本，显著提高成品的精度。本项目前期已完成二维仿真系统，目前国际市场出售的仿真系统均为二维版本，且由于缺乏高精度的各向异性腐蚀速率数据库，其适用的广泛性和精度逊于前期成果二维仿真系统。目前国内外尚未有成熟的三维仿真系统问世。本课题的目标三维仿真系统的预测结果能够更精确和全面地预测和指导包括石英和硅在内的精细加工设计。

本项目按年度研究计划顺利执行，研究目标中在两年内开发出高精度、适应不同切面、不同掩膜乃至任意初始 形状的三维石英各向异性腐蚀仿真系统，有优良的人机界面和三维可视，达到国际领先水平的工作基本完成。其中关键科学问题一的三维情况下蚀刻仿真数学模型的建立顺利完成，能够成功仿真三维情况下几何体在各向异性蚀刻过程中的复杂形状演化，数学模型能充分体现蚀刻的细节信息，并可用计算机语言顺利表达，是在国际上具有开创性的成熟的晶体各向异性蚀刻三维数学模型。关键科学问题二的鞍形角及伪鞍型角的蚀刻仿真处理问题顺利完成。找到了适当的数学方法，可对三维几何体中新增的鞍型角和伪鞍型角进行精确辨认和处理，并且无论组成角的的面数多寡，均可准确辨认和处理。关键科学问题三的仿真结果三维可视化的实现顺利完成，能多角度展现三维腐蚀仿真结果的丰富细节。项目研究目标中的“任意初始形状”计划，由于随着项目的展开，发现在实际生产应用中，典型槽的仿真需求占据所有仿真需求超过90%以上的比例，从工作效率的角度出发，因此调整“任意初始形状”目标为“任意典型槽”目标。并且由于随着项目的展开，对课题内涵的更深入理解，发现本项目课题从完成的难度和实际价值上适用于更大规模的项目，并在实施期间成功申请了国家重点项目，因此对人机界面部分以及适用的广泛性部分进行了更细致的重新规划。本项目的石英晶体三维各向异性蚀刻仿真系统基本实现了对石英加工生产过程中的三维典型结构的有效仿真，能够指导石英MEMS的设计和加工，可以作为石英MEMS产业的重要基础设计工具，在所有需要用到石英MEMS器件的领域，不论是民生、工业还是国防，都将扭转国内在石英器件设计领域的知其然但不知其所以然的技术困境，摆脱对国外相关器件的模仿，摆脱在石英器件加工上只能采用经验预估和试错的困境，解决国外技术封锁造成的卡脖子现状，为我国石英MEMS产业的发展从基本原理技术层面提供支持。