金属湿法腐蚀原理

在MEMS工艺中，在形成衬底加工出所需的结构后需要通过制备金属连接以实现欧姆接触的信号引出，或者直接制备相应的图形化金属，实现信号变化与导出的一体化。形成两种工艺方式：一种是利用Lift-Off工艺，先涂胶光刻后形成图形化的凹槽，然后蒸发后再进行剥离；一种是利用溅射或者蒸发方式，首先在衬底表面整面制备金属层，然后再进行涂胶光刻，最后利用腐蚀工艺，将多余的金属腐蚀掉。其中腐蚀可以分为干法和湿法腐蚀，湿法腐蚀由于其适合大规模制备，均匀度高的优点被广泛的采用。

  金属的湿法腐蚀是利用金属的活泼性，即金属单质在水溶液中失去电子生成金属阳离子的倾向，MEMS中常用金属活泼性如下：钾、钠、镁、铝、钛、锌、铬、镍、铜、银、铂、金，这可以理解为在同一氧化剂的作用下，越活泼的金属越容易发生化学反应，例如，将铬与金浸置于盐酸的溶液中时，铬可以与盐酸反应而金则不反应。常见的金属湿法腐蚀如下：

一、铝腐蚀
1. 磷酸腐蚀液：

  利用浓磷酸（85%）与铝反应，产生可溶于水的酸式磷酸铝，使铝膜被溶除干净。其反应式为：

  其中，铝与浓磷酸发生剧烈反应，会有气泡不断冒出。为了消除这些气泡，是腐蚀顺利进行，可在浓磷酸中加入少量的无水乙醇。腐蚀温度常在80℃ 左右，将盛有腐蚀液的烧杯放在恒温水浴锅中。

  浓硫酸使用一段时间后酸度下降，铝与磷酸也可能产生难溶的磷酸铝白色沉淀，其反应式为：

  反应生成的白色沉淀堆积在硅片表面上，对铝的腐蚀不利，因此必须定期更换新的磷酸。

2. 高猛酸钾腐蚀液

  其配方为：

  腐蚀温度为40-50℃。这种腐蚀液的优点是刻出来的铝条边缘蒸汽，腐蚀速率快。其反应式为：

  但是由于高猛酸钾是强氧化剂，当腐蚀时晃动不均匀或拿出观察时，容易使腐蚀液内的二氧化硅淀积在铝表面上，妨碍铝的腐蚀，腐蚀时必须加小心，如果腐蚀后面发现有黄色的二氧化锰时，应放入25% 的亚硫酸钠溶液使二氧化锰溶解去除。

3. 碱性腐蚀液

  其配方为：NaOH:H2O:甘油:酒精=5(g):8(mL):3(mL):6(mL)

  这种腐蚀液配置初期为乳白色，存放一周后变黄，加热至30-50℃使其成为透明溶液，方可使用。加入甘油的作用时减小氢氧化钠的活泼型。这种腐蚀液一般采用40℃水浴腐蚀。铝与氢氧化钠反应成为可溶性偏铝酸钠，其反应式为：

  由于碱性腐蚀液对光刻胶有腐蚀，因此不适合腐蚀胶厚的铝。并且它横向腐蚀严重。因此一般采用较稀的腐蚀液，但出现腐蚀较慢，边缘也不好。

4. 磷酸加硝酸腐蚀液

  配方为：磷酸：硝酸：无水乙醇：水=50:2:10:9

  此腐蚀液是在工艺1基础上的改进，加入硝酸可以改善铝的腐蚀效果，提高腐蚀效率。腐蚀温度可以降低为40-65℃，其反应式为：

  腐蚀液使用一段时间后酸度下降，需定期更换新的磷酸。

二、铬腐蚀

  （1）铬可以用5g的硝酸铈铵，4mL硝酸（70%）加入5mL水组成的腐蚀剂进行腐蚀，腐蚀通常在25℃下进行，其腐蚀原理主要为：Ce(IV)酸性条件下的氧化性很强，Ce(IV)/Ce(III)的标准电极电势在1.61V左右，足以把Cr(III)氧化成Cr(VI)（1.23V），所以虽然反应会比较慢，但是不易停留在Cr(3+)阶段。

  （2）HCl:H2O=1:3

三、铜腐蚀

  铜可以用5g稀硝酸，由5mL 70%的硝酸加入5 mL H2O混合而成，在25℃下进行腐蚀，FeCl3、过硫酸铵的水腐蚀液也常用做铜的腐蚀剂，作为印刷电路板腐蚀剂，可以通过商业购买获得。过硫酸铵与铜反应如下：

四、金腐蚀：

  典型的金腐蚀剂为KI3，其水溶液使一种黑色不透明并有侵蚀性的气体腐蚀剂。这种腐蚀剂具有不透明性，使反应的终点检测非常困难。典型的KI3腐蚀剂配方为4g KI、1g I2 溶于40mL H2O中，通常在20-50℃范围内使用。但是腐蚀速率及效果需要进行实验。其反应式为：

五、其他金属腐蚀

（1）钛腐蚀液

  由于钛表现出的抗腐蚀性，其可以在盐酸中进行腐蚀，但是需要在热盐酸中才能发生反应，也可以在稀氢氟酸或氢氟酸/H2O2中进行腐蚀，其反应方程如下：

（2）镍腐蚀液：
可以用在100mL H2O中加入25mL硝酸（70%）和15g过硫酸铵得到的溶液，在25℃下反应：

（3）铂腐蚀液：

铂作为最稳定的金属，往往需要用王水进行腐蚀，其中HCl: HNO3 = 3:1，其反应方程式为：