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金屬濕法腐蝕

欄目：MEMS工藝分析

MEMS工藝中，在形成襯底加工出所需的結(jié)構(gòu)后需要通過(guò)制備金屬連接以實(shí)現(xiàn)歐姆接觸的信號(hào)引出，或者直接制備相應(yīng)的圖形化金屬，實(shí)現(xiàn)信號(hào)變化與導(dǎo)出的一體化。相比干法刻蝕，濕法腐蝕不需要昂貴的設(shè)備，適合大規(guī)模制備，并且成本低，所以經(jīng)常用作MEMS器件中金屬的圖形化。

金屬的濕法腐蝕利用的是金屬的活潑性，即金屬單質(zhì)在水溶液中失去電子生成金屬陽(yáng)離子的傾向，MEMS中常用金屬活潑性如下：鉀、鈉、鎂、鋁、鈦、鋅、鉻、鎳、銅、銀、鉑、金，這可以理解為在同一氧化劑的作用下，越活潑的金屬越容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，例如，將鉻與金浸置于鹽酸的溶液中時(shí)，鉻可以與鹽酸反應(yīng)而金則不反應(yīng)。常見(jiàn)的金屬濕法腐蝕如下：

一、鋁腐蝕
1.磷酸腐蝕液：

利用濃磷酸（85%）與鋁反應(yīng)，產(chǎn)生可溶于水的酸式磷酸鋁，使鋁膜被溶除干凈。其反應(yīng)式為

 

其中，鋁與濃磷酸發(fā)生劇烈反應(yīng)，會(huì)有氣泡不斷冒出。為了消除這些氣泡，是腐蝕順利進(jìn)行，可在濃磷酸中加入少量的無(wú)水乙醇。腐蝕溫度常在80℃ 左右，將盛有腐蝕液的燒杯放在恒溫水浴鍋中。

濃磷酸使用一段時(shí)間后酸度下降，鋁與磷酸也可能產(chǎn)生難溶的磷酸鋁白色沉淀，其反應(yīng)式為：

 

反應(yīng)生成的白色沉淀堆積在硅片表面上，對(duì)鋁的腐蝕不利，因此必須定期更換新的磷酸。

2. 高猛酸鉀腐蝕液

其配方為：

 

腐蝕溫度為40-50℃。這種腐蝕液的優(yōu)點(diǎn)是刻出來(lái)的鋁條邊緣整齊，腐蝕速率快。其反應(yīng)式為：

 

但是由于高猛酸鉀是強(qiáng)氧化劑，當(dāng)腐蝕時(shí)晃動(dòng)不均勻或拿出觀察時(shí)，容易使腐蝕液內(nèi)的二氧化硅淀積在鋁表面上，妨礙鋁的腐蝕，腐蝕時(shí)必須加小心，如果腐蝕后面發(fā)現(xiàn)有黃色的二氧化錳時(shí)，應(yīng)放入25% 的亞硫酸鈉溶液使二氧化錳溶解去除。

3.堿性腐蝕液

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

這種腐蝕液配置初期為乳白色，存放一周后變黃，加熱至30-50℃使其成為透明溶液，方可使用。加入甘油的作用時(shí)減小氫氧化鈉的活潑型。這種腐蝕液一般采用40℃水浴腐蝕。鋁與氫氧化鈉反應(yīng)成為可溶性偏鋁酸鈉，其反應(yīng)式為：

由于堿性腐蝕液對(duì)光刻膠有腐蝕，因此不適合腐蝕膠厚的鋁。并且它橫向腐蝕嚴(yán)重。因此一般采用較稀的腐蝕液，但出現(xiàn)腐蝕較慢，邊緣也不好。

4. 磷酸加硝酸腐蝕液

配方為：磷酸：硝酸：無(wú)水乙醇：水=50:2:10:9

此腐蝕液是在工藝1基礎(chǔ)上的改進(jìn)，加入硝酸可以改善鋁的腐蝕效果，提高腐蝕效率。腐蝕溫度可以降低為40-65℃，其反應(yīng)式為：

 

腐蝕液使用一段時(shí)間后酸度下降，需定期更換新的磷酸。

二、鉻腐蝕

1. 鉻可以用5g的硝酸鈰銨，4mL硝酸（70%）加入5mL水組成的腐蝕劑進(jìn)行腐蝕，腐蝕通常在25℃下進(jìn)行，其腐蝕原理主要為：Ce(IV)酸性條件下的氧化性很強(qiáng)，Ce(IV)/Ce(III)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)在1.61V左右，足以把Cr(III)氧化成Cr(VI)（1.23V），所以雖然反應(yīng)會(huì)比較慢，但是不易停留在Cr(3+)階段。

2．HCl:H2O=1:3

Cr+2HCl===CrCl2+H2↑


三、銅腐蝕

銅可以用5g稀硝酸，由5mL 70%的硝酸加入5 mL H2O混合而成，在25℃下進(jìn)行腐蝕，F(xiàn)eCl3、過(guò)硫酸銨的水腐蝕液也常用做銅的腐蝕劑，作為印刷電路板腐蝕劑，可以通過(guò)商業(yè)購(gòu)買獲得。過(guò)硫酸銨與銅反應(yīng)如下：

Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O

(NH4)2S2O8+Cu =CuSO4+ (NH4)2SO4

2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2

四、金腐蝕：

典型的金腐蝕劑為KI3，其水溶液使一種黑色不透明并有侵蝕性的氣體腐蝕劑。這種腐蝕劑具有不透明性，使反應(yīng)的終點(diǎn)檢測(cè)非常困難。典型的KI3腐蝕劑配方為4gKI、1g I2 溶于40mL H2O中，通常在20-50℃范圍內(nèi)使用。但是腐蝕速率及效果需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其反應(yīng)式為：

2Au+I2→2AuI

AuI+ KI→KAuI2

五、其他金屬腐蝕

（1）鈦腐蝕液

由于鈦表現(xiàn)出的抗腐蝕性，其可以在鹽酸中進(jìn)行腐蝕，但是需要在熱鹽酸中才能發(fā)生反應(yīng)，也可以在稀氫氟酸或氫氟酸/H2O2中進(jìn)行腐蝕，其反應(yīng)方程如下：

2Ti+6HCl=TiCl3+3H2

Ti + 6HF = H2[TiF6] + 2H2

（2）鎳腐蝕液：
可以用在100mL H2O中加入25mL硝酸（70%）和15g過(guò)硫酸銨得到的溶液，在25℃下反應(yīng)。

Ni+4HNO3=Ni(NO3)2+2NO2+2H2O

（3）鉑腐蝕液：

鉑作為最穩(wěn)定的金屬，往往需要用王水進(jìn)行腐蝕，其中HCl: HNO3 = 3:1，其反應(yīng)方程式為：


3Pt+4HNO3+18HCl=3H2[PtCl6]+4NO2+8H2O