为什么单晶硅的湿法刻蚀是各向异性？

什么是各向异性刻蚀？

简单来说，就是材料在不同方向上的刻蚀速度存在巨大差异的一种加工方式。

各向同性：四面八方同时啃

各向同性：笔直向下挖，或者斜挖等等

单晶硅的湿法刻蚀之所以能表现出强烈的“各向异性”，根本原因在于单晶硅内部原子的微观排列结构。不同的晶面，其原子密度和化学键的暴露情况不同，导致它们面对化学药水时的“防御力”有着天壤之别。

单晶硅具有金刚石晶格结构。如果我们顺着不同的角度切开这个完整的晶体，会看到不同排列方式的原子面。物理学上用“密勒指数”来表示这些面，最典型的就是 (100)面、(110)面 和 (111)面。

硅原子最外层有 4 个电子，在晶体内部，每个硅原子会和周围的 4 个硅原子形成 4 个极度稳定的共价键。但当晶体被切开形成表面时，表层的硅原子必定有部分化学键断开，形成了无依无靠的“悬挂键”。悬挂键越多、排列越稀疏，越容易被OH-的攻击。

(111)面： 在这个面上，原子的排列极其紧密。更关键的是，表面的每个硅原子与下层原子连接了 3 个化学键，向外只暴露出 1个悬挂键。这使得 (111) 面极难被碱性溶液破坏，刻蚀速度最慢。

(100)面： 这个面的原子排列相对稀疏。表面的每个硅原子与下层只有 2 个键相连，向外暴露出 2个悬挂键。药水极其容易从这里“趁虚而入”打断化学键，因此刻蚀速度极快。

在典型的 KOH 溶液中，(100)面与(111)面的刻蚀速率之比可以高达 100:1 甚至 400:1。

这就产生了一个极其奇妙的现象：

当我们在最常见的 (100) 硅片表面用光刻胶或氮化硅开一个正方形的保护层窗口，然后将其放进热 KOH 溶液里煮。溶液会疯狂地向下（沿着 100 方向）刻蚀。

最终，原本方形的开口，会形成一个倒金字塔形的 V 型槽。这个 V 型槽的斜面（111面）与表面（100面）的夹角永远是极其精确的 54.74°。