CN101503817A - 光助电化学刻蚀装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光助电化学刻蚀装置，包括装有反应溶液的反应槽、耐酸泵、与直流电源相连的网孔阴极和环形阳极、红外截止滤光片，以及与硅片位置相对应的卤素灯阵列，该装置在反应槽外套装一个底部开有透光窗的降温槽，在降温槽内通入冷却液，隔断因卤素灯阵列照射而产生的热量向反应槽内传导。同时，在耐酸泵输出管的输出端连接有对硅片上方反应溶液进行循环的花洒式冲刷机构。本发明提供一种保持反应溶液温度基本恒定、避免硅片上气泡堆积的光助电化学刻蚀装置，适用于对大面积硅片实施长时间的稳定深刻蚀。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于N型或P型硅片的光助电化学刻蚀装置，能对大面积硅片进行长时间的均匀湿法深刻蚀，属于微机电系统(MEMS)领域。
背景技术
基于硅材料的高深宽比微细结构的制作，在微机电系统(MEMS)、光子晶体、微传感器、X射线成像器件、生物工程芯片和太阳能电池和侧向外延衬底等技术领域有着重要的地位。目前国内硅基HARMS的加工方法主要有三种。第一种方法是激光微加工，适合于加工分立的单个通孔。其不足之处在于串行操作、效率低、对位精度差，不适合于大规模阵列的制作。第二种方法是深反应离子刻蚀(DRIE)，可用于阵列化生产。但与国外使用较多的LIGA技术相似，其制作设备和制作工艺的成本都很高，难于推广。第三种方法就是光助电化学刻蚀法(PAECE)，所需的反应装置结构简单，成本低，易于批量生产，而且更容易获得超高深宽比的微细结构。
硅的光助电化学刻蚀本质上是硅经阳极溶解形成多孔硅层的过程，多孔硅层内的微结构深宽比可以达到100以上。用光助电化学刻蚀法对表面有预制图案的硅片进行深刻蚀，可以制作出有序的三维微结构。近年来，PAECE技术得到了深入的研究，针对不同的应用场合也出现了多种实验装置。但是从目前的情况来看，这些装置大都只适用于面积在2cm2左右的小尺寸样品的刻蚀，对大面积硅片实施深刻蚀时主要有以下两个问题：
1、大面积硅片在长时间光助电化学刻蚀中，照射硅片背面的高功率光源所产生的热量，会引起反应溶液温度明显升高；
2、大面积硅片在光助电化学刻蚀所产生大量的气泡堆积在硅片与网孔阴极之间的相对封闭的区域内，或者附着在硅片的上表面，阻碍了新鲜反应溶液参与到反应中来。
发明内容
本发明针对现有装置在刻蚀过程中存在着反应溶液升温和硅片表面堆积气泡这两大问题，提供了一种保持反应溶液温度基本恒定、避免硅片上方气泡堆积的光助电化学刻蚀装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光助电化学刻蚀装置，包括盛装反应溶液(16)的反应槽(9)、用于反应溶液循环的耐酸泵(12)、与直流电源(15)相连的网孔阴极(6)和环形阳极(5)、反应槽(9)下方与放置在网孔阴极(6)和环形阳极(5)之间刻蚀的硅片(4)相对应的卤素灯阵列(1)、设置在卤素灯阵列(1)与硅片(4)之间红外截止滤光片(3)，在反应槽(9)外套装有盛装透光的冷却液(17)的降温槽(10)，降温槽(10)侧壁上设有冷却液输入管(20)和冷却液输出管(18)，降温槽(10)的底面与环形阳极(5)对应的位置设有可透过卤素灯光的透光窗(2)，耐酸泵输出管(13)的输出端连接有用于硅片(4)上方反应溶液(16)循环的花洒式冲刷机构。
冷却液输入管(20)的出口位于环形阳极(5)下方，冷却液输出管(18)的高度稍高于反应槽(9)中反应溶液(16)液面的高度，冷却液输出管(18)的直径大于冷却液输入管(20)的直径。
冷却液输出管(18)的直径为冷却液输入管(20)的直径的2～5倍，所述透光窗(2)为石英玻璃窗。
红外截止滤光片(3)设置在环形阳极(5)与透光窗(2)之间的冷却液(17)中。
冷却液(17)为具有优良导电性能的透光的盐溶液。
冷却液输入管(20)的入口连接有用于调节冷却液(17)温度的温控装置(19)。
所述花洒式冲刷机构由网孔阴极(6)和中空的密闭腔(7)组成，密闭腔(7)底端密封连接网孔阴极(6)外边缘，密闭腔(7)上部与耐酸泵输出管(13)连通。
网孔阴极(6)上均匀排布有通孔(22)，通孔(22)直径为0.1～1mm，相邻孔距为0.3～5mm。
本发明采用在反应槽外套装降温槽的方式，将产生热量的卤素灯阵列与反应槽隔离开，由降温槽内的冷却液将卤素灯产生的热量带走，隔断了热源，使其不会传递到反应溶液中。本发明在硅片上方的反应溶液中设有花洒式冲刷机构，由耐酸泵注入的反应溶液通过花洒式冲刷机构能够均匀地冲刷网孔阴极下的硅片，有效地进行反应溶液循环，消除了硅片上方气泡堆积的现象。
冷却液输入管的出口设置在网孔阴极与透光窗之间，使冷却液直接流入硅片与降温槽底部的透光窗之间温度最高的区域，可及时地带走因卤素灯强光照射产生的热量，保持反应槽内反应溶液温度基本不变。
保持冷却液输出管的高度稍高于反应溶液高度，从而使冷却液的液面高度与反应溶液的高度相差不多，因此硅片所受到反应溶液的压力与冷却液对硅片的压力基本平衡，避免了硅片受压不均造成硅片破裂的问题，也能更好地起到降温的作用。
将红外截止滤光片设置在冷却液中，保护红外截止滤光片不会因光源烘烤而遭到破坏。
由于流体对透过的光线有选择性吸收的作用，因此通过选择不同的冷却液，并调节冷却液的厚度，可以起到红外滤波的作用。将冷却液与红外滤光片配合使用，可以达到最佳的红外滤波效果。
另外使用导电性能良好的盐溶液作冷却液还能加强硅片与环形阳极之间的电接触，提高刻蚀质量。
冷却液输出管直径大于冷却液输入管的直径，特别是在冷却液输出管的直径为冷却液输入管的直径的2～5倍，可保证经冷却液输入管进入降温槽的冷却液及时通过冷却液输出管溢流，不会出现冷却液液面不能及时回流，而漫出反应槽的问题。
冷却液输入管的入口连接有用于调节冷却液温度的温控装置，温控装置可以调节冷却液的温度，从而间接控制反应溶液的温度。
由于网孔阴极的极板尺寸需要与硅片的尺寸相近，因此本发明中将网孔阴极与一个中空的密闭腔密封扣装在一起，再连接到耐酸泵输出管上。密闭腔象一个罩体一样，扣合密封在网孔阴极上，在与网孔阴极组成了一个花洒式冲刷机构，反应溶液从网孔阴极的网孔内均匀冲出，因而能够以面源的形式均匀地冲刷硅片表面，有效地带走反应过程中整个硅片表面各个部位的气泡。网孔阴极在发挥电极功能的同时，还起到了均匀循环溶液的作用。该花洒式冲刷机构结构简单、冲刷效果好。
网孔阴极表面均匀排布的通孔直径为0.1～1mm，相邻孔距为0.3～5mm，这样的尺寸可以保证耐酸泵泵出的液体通过网孔阴极上的通孔均匀喷出，就能很好地解决整个硅片表面各处的溶液均匀循环的问题，特别适合于对大面积硅片的深刻蚀。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例1网孔阴极结构示意图；
图3是本发明应用实施例1制备的深孔阵列SEM图；
图4是本发明应用实施例2制备的沟槽阵列SEM图。
所用扫描电子显微镜(SEM)为日本JEOL公司生产，型号为JSM-59101v。
具体实施方式
如图1所示，一种光助电化学刻蚀装置，包括盛装有反应溶液的反应槽9、反应槽9底部设有与直流电源相连的网孔阴极6和环形阳极5，其中环形阳极5通过螺钉固定在反应槽9底部，网孔阴极6位于环形阳极5之上，反应溶液16为含有氢氟酸的水溶液或有机溶液，硅片4放置于网孔阴极6与环形阳极5之间并固定在反应槽9底部，在反应槽9外套装有降温槽10，降温槽10与反应槽9之间设有支撑架(图中未显示)，支撑架保持二者之间留有相应的空间，降温槽10内盛装有透光的冷却液17，降温槽17侧壁上设有冷却液输入管20和冷却液输出管18，冷却液输入管20的出口位于环形阳极6下方，冷却液输出管18的高度稍高于反应槽9中反应溶液16液面高度，冷却液输出管18的直径大于冷却液输入管20的直径，优选冷却液输出管18的直径为冷却液输入管20的直径的2～5倍，有利于冷却液17及时从冷却液输出管18溢流，保证冷却液17的液面与反应溶液16的液面相差不多。冷却液17为透光液体，例如自来水、蒸馏水、去离子水等，优选具有优良导电性能的透光的盐溶液，例如硫酸钾、氯化钠溶液，透光的盐溶液可以加强硅片与环形阳极之间的电接触。冷却液输入管的入口连接有用于调节冷却液温度的温控装置19，温控装置19用于调节冷却液17的温度，间接用于控制反应槽9内反应溶液16的温度，温控装置19为现有技术，例如恒温槽，在此不再赘述。降温槽10底面开有与环形阳极6对应的透光窗2，透光窗2与降温槽10之间密封固定，所述透光窗2为石英玻璃窗，也可以是其他透光材料制成，透光窗2外设置有与其对应的卤素灯阵列1，卤素灯阵列1一般由1～20盏卤素灯并排排列组成，根据实际需要可以作调整，本实施例采用了12盏卤素灯。红外截止滤光片3设置在环形阳极5与降温槽10的透光窗1之间的冷却液17中，冷却液输入管的出口位于环形阳极5与红外截止滤光片3之间。
耐酸泵输出管13的输出端连接有对网孔阴极6下方硅片4进行冲刷的花洒式冲刷机构。花洒式冲刷机构由与网孔阴极5和密闭腔7组成。密闭腔7上部与耐酸泵输出管13连通，底端扣装在网孔阴极5外边缘。在密闭腔7底端面与网孔阴极6之间设有密封垫(图中未示出)，用于密闭腔7与网孔阴极6密封。网孔阴极5除与密闭腔7扣合的外边缘外，如图2所示，其表面都均匀排布有通孔22，通孔22直径为0.1～1mm，相邻孔距为0.3～5mm，密闭腔7为聚四氟乙烯(PTFE)材料制成。密闭腔7上设有用于支撑的支撑架(图中未示出)，支撑架能够方便地调节网孔阴极6与硅片4之间的距离，从而改变硅片4上下表面之间的电位差。
采用本发明刻蚀装置制作基于硅材料的高深宽比微细结构，具体实施方案包括以下三个步骤：
1、标准光刻工艺形成原始图案：利用光刻工艺在硅片的正面形成预制的表面图案，并在背面形成铝栅格用作导电层。
2、碱性溶液各向异性腐蚀形成初始尖端：在KOH或TMAH溶液中对硅片正面进行腐蚀以形成初始尖端，此时应对硅片背面进行保护。
3、光助电化学刻蚀制作高深宽比微细结构：调整溶液浓度、温度、偏置电压大小和光照强度等参数，在氢氟酸(HF)及相关的配套溶液中，对样品进行深刻蚀。
样品参数如下：硅片为4英寸，N型，<100>晶向，厚度380um；所用反应溶液总量为4000ml，按质量百分比计，氢氟酸为4％，作为活性剂的乙醇为8％，其余为去离子水，12盏300W的卤素灯组成的卤素灯阵列作为光源。
应用实施例1 大面积方孔阵列的制作
由于要求方孔的深度较大，通常在200um以上，因此本实施例中除保证整个4英寸面上均匀一致刻蚀以外，要特别注意控制长时间刻蚀中溶液的温升。
使用本发明的装置，用室温的自来水作为冷却液，在180分钟的实验时间里，监测到反应溶液温度为25.3～26.5，波动范围仅为1.2℃，满足高精度实验的要求。如图3所示为刻蚀得到的方孔阵列的SEM图片。测试结果显示所制作的微细结构均匀性很好。
应用实施例2 大面积沟槽阵列的制作
沟槽阵列的制作中，需要相对大的电流密度，通常在30mA/cm2左右，反应很剧烈，会有大量的气泡产生，这就需要硅片上表面溶液有很强的循环更新能力。由于沟槽阵列结构有严格的占空比要求，这就需要刻蚀过程中能有效地滤除红外波以抑制侧向腐蚀。
本实施例电流密度为32mA/cm2，30分钟刻蚀。所用的冷却液为室温的自来水，硅片与石英玻璃窗之间的距离为3cm。实验过程中，反应溶液温度能够控制在25.4～25.8℃之间。整个刻蚀过程中未发现气泡堆积的现象。图4为所制作微结构的SEM照片。
Claims (8)
1、一种光助电化学刻蚀装置，包括盛装反应溶液(16)的反应槽(9)、用于反应溶液循环的耐酸泵(12)、与直流电源(15)相连的网孔阴极(6)和环形阳极(5)、反应槽(9)下方与放置在网孔阴极(6)和环形阳极(5)之间刻蚀的硅片(4)相对应的卤素灯阵列(1)、设置在卤素灯阵列(1)与硅片(4)之间红外截止滤光片(3)，其特征在于：在反应槽(9)外套装有盛装透光的冷却液(17)的降温槽(10)，降温槽(10)侧壁上设有冷却液输入管(20)和冷却液输出管(18)，降温槽(10)的底面与环形阳极(5)对应的位置设有可透过卤素灯光的透光窗(2)，耐酸泵输出管(13)的输出端连接有用于硅片(4)上方反应溶液(16)循环的花洒式冲刷机构。
2、如权利要求1所述的光助电化学刻蚀装置，其特征在于：冷却液输入管(20)的出口位于环形阳极(5)下方，冷却液输出管(18)的高度稍高于反应槽(9)中反应溶液(16)液面的高度，冷却液输出管(18)的直径大于冷却液输入管(20)的直径。
3、如权利要求2所述的光助电化学刻蚀装置，其特征在于：冷却液输出管(18)的直径为冷却液输入管(20)的直径的2～5倍，所述透光窗(2)为石英玻璃窗。
4、如权利要求1所述的光助电化学刻蚀装置，其特征在于：红外截止滤光片(3)设置在环形阳极(5)与透光窗(2)之间的冷却液(17)中。
5、如权利要求1所述的光助电化学刻蚀装置，其特征在于：冷却液(17)为具有优良导电性能的透光的盐溶液。
6、如权利要求1所述的光助电化学刻蚀装置，其特征在于：冷却液输入管(20)的入口连接有用于调节冷却液(17)温度的温控装置(19)。
7、如权利要求1～6任意一项所述的光助电化学刻蚀装置，其特征在于：所述花洒式冲刷机构由网孔阴极(6)和中空的密闭腔(7)组成，密闭腔(7)底端密封连接网孔阴极(6)外边缘，密闭腔(7)上部与耐酸泵输出管(13)连通。
8、如权利要求7所述的花洒式冲刷机构，其特征在于：网孔阴极(6)上均匀排布有通孔(22)，通孔(22)直径为0.1～1mm，相邻孔距为0.3～5mm。
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