湿法刻蚀原理

8.1　湿法刻蚀原理

在湿刻工艺中，应根据不同金属膜，选择不同的刻蚀药液。但是基本上都是利用强酸，如磷酸（H3PO₄），硝酸（HNO₃），盐酸（HCl），冰醋酸（CH3COOH）等及其混合物对金属的溶解和氧化还原过程，实现金属膜的图形化。

1.栅极湿刻（G-WE）反应机理

栅极一般由铝钕合金膜和钼铌合金膜组成，铝膜在下层，钼膜在上层。栅极膜层厚度为2 700左右，其中钼膜厚为700，铝膜厚为2 000。栅极刻蚀液要能够形成良好的铝和钼的刻蚀形状，与硅表面或绝缘膜表面不发生反应。栅极刻蚀液的成分和要求如表8.1和表8.2所示。

表8.1　栅极刻蚀液的组成混合比

表8.2　栅极刻蚀液的质量要求

硝酸使钼氧化成氧化钼（MoO₃）；磷酸用于铝及氧化钼的溶解；冰醋酸用于降低刻蚀液黏度以提高浸润性。

栅极刻蚀速度约为4 000·min^-1。栅极刻蚀液是无色透明、有刺激性气味、强酸性液体，沾上皮肤会引起烧伤。因此作业时，应戴上耐酸性的手套、面罩并穿上前褂。具体的化学反应如下：

Mo＋2HNO₃→MoO₃＋H₂O＋2NO₂↑，

MoO₃＋H₂Ｏ→H₂MoO₄（中间体），

12H₂MoO₄＋H₃PO₄→H₃［P（Mo₃Ｏ₁₀）₄］＋12H₂O，

2Al＋2H₃PO₄→2Al ^3＋＋2PO＋3H₂↑，

3H₂＋2HNO₃→4H₂O＋2NO↑。

反应中要控制硝酸和冰醋酸的浓度。

2.漏极和源极湿刻（D-S-WE）反应机理

漏极和源极材料是金属铬，铬膜层厚度为1 400左右。漏极和源极刻蚀是一个氧化还原过程，刻蚀液的主要成分是硝酸铈铵（Ce（NH₄）₂（NO₃）₆）和硝酸。

漏极和源极刻蚀液的组成混合比为：

Ce（NH4）₂（NO₃）₆：14.0（1±0.5wt.%）；

HNO₃：10.0（1±0.5wt.%）。

硝酸铈铵的作用是与铬发生氧化还原反应，Ce^4＋把铬氧化成Cr^6＋，溶于刻蚀液中，而Ce^4＋离子被还原成Ce^3＋离子。硝酸的作用是防止铈的氢氧化物Ce（OH）₃或Ce（OH）₄的沉淀和析出。

D-S刻蚀速率大约为2 500·min^-1。D-S刻蚀液是橙色，有刺激性气味的强酸性腐蚀液。Cr^6＋具有强氧化性，会造成皮肤溃烂。因此作业时，应戴上耐酸性的手套、面罩并穿上前褂。

具体的化学反应如下：

6Ce^4＋＋Cr →6Ce^3＋＋Cr^6＋，

Cr＋2［Ce（NH₄）₂（NO₃）₆］→Cr^2＋＋2Ce^3＋＋2［（NH₄）₂（NO₃）₆］^4-，

Cr＋3［Ce（NH₄）₂（NO₃）₆］→Cr^3＋＋3Ce^3＋＋3［（NH₄）₂（NO₃）₆］^4-。

总的化学方程式为

2Cr＋12［Ce（NH4）₂（NO₃）₆］＋7H₂Ｏ→

　　　　　　　　　H₂Cr₂O₇＋12［Ce（NH₄）₂（NO₃）₅］＋12HNO₃。

反应中需要控制［Ce（NH4）₂（NO₃）₆］的浓度。

3.像素电极的像素电极湿刻（PI-WE）反应机理

像素电极的主要成分为氧化铟（In₂O₃）和二氧化锡（SnO₂），其中二氧化锡10%左右，是一种透明的导电膜，俗称ITO。膜厚度为400。刻蚀液的成分为盐酸、硝酸和去离子水的混合液。

刻蚀液浓度配比一般为

HCl∶HNO₃∶H₂O＝1∶0.08∶1（体积比）；

HCl：17.6wt.%；

HNO₃：1.6wt.%；

或者

HCl：18wt.%；

HNO₃：3.2wt.%。

盐酸的作用是切断In—O、Sn—O的键，溶解In₂O₃和SnO₂。

浓度为6mol·L-¹的盐酸单体的刻蚀速度为190·min^-1。

浓度为6mol·L-¹的硝酸单体的刻蚀速度为20·min^-1。

硝酸作为一种氧化剂，加入后可以调节平衡状态并提高刻蚀速度。加入不同量的硝酸，刻蚀的速度有相当大的改变。在40℃的条件下，加入硝酸后刻蚀速度可以提高到174～260·min^-1。

但刻蚀速度过快会导致刻蚀的图形边缘劣化，如基板通过液切风刀时，由于搬送速度较慢，基板上药液流量的差异，因此会使图案产生较大的差别。

加入硝酸还可以软化光刻胶，提高光刻胶与膜层之间的渗透性，有利于提高ITO的刻蚀形状。

像素电极的刻蚀液是一种无色透明、有刺激性气味的腐蚀性酸性液体。因此作业时，应戴上耐酸性的手套、面罩并穿上前褂。

具体的化学反应如下：

In₂O₃＋6HCl→2In^3＋＋6Cl^-＋3H₂O，

SnO₂＋4HCl →Sn^4＋＋4Cl^-＋2H₂O，

HNO₃幑幐H＋＋NO₃-，

H＋＋Cl^-幑幐HCl。

在刻蚀过程中，Cl^-浓度和NO^-₃浓度不发生变化，不需要对浓度进行特别控制。