CN101866842B - 硅基三维结构磁场辅助电化学腐蚀的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种硅基三维结构磁场辅助电化学腐蚀的方法，该方法包括光刻硅片、配置腐蚀液、电化学腐蚀前的准备、电化学腐蚀的实施及后处理步骤，其中：在配置腐蚀液的过程中，是将氢氟酸、二甲基甲酰胺和水混合，组成三者的体积比为(2.5～3.5)∶(14～18)∶1的腐蚀液作为负极腐蚀液，将质量浓度96％的分析纯NH4F、质量浓度40％的HF和水混合，组成三者的体积比为3∶6∶10的氢氟酸缓冲腐蚀液作为正极的腐蚀液；在磁场配置过程中，是将磁场方向垂直100晶向，同时与电场方向垂直，该磁场方向定为x轴。本发明提供的方法具有工艺简单、实用性强和容易实施等优点，可以获得大间距陡直图形的硅基三维结构的产品。
Description
技术领域
本发明涉及材料科学和电化学领域，特别是涉及一种硅基三维结构磁场辅助电化学腐蚀的方法。
背景技术
电化学腐蚀技术是近几年发展起来的新兴硅基三维结构加工技术。由于电化学腐蚀过程与空穴的分布有密切的关系，由空间电荷区(SCR)模式，电化学刻蚀强烈地依赖于空穴的产生及其在尖端周围的分布，而刻蚀区域侧壁分叉结构的形成是由于电流的横向分量，导致在垂直方向的横向刻蚀发生，所以电化学腐蚀很难得到大间距陡直的三维周期结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种硅基三维结构磁场辅助电化学腐蚀的方法，该方法能够实现间距为20-300μm的大间距周期性圆孔结构、凸角结构和台状结构等陡直的三维周期结构。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的硅基三维结构磁场辅助电化学腐蚀的方法，其步骤包括：
(1)光刻硅片：利用光刻机和图形掩模将硅片进行光刻。
(2)配置腐蚀液：将HF、DMF和水的混合，组成三者的体积比为(2.5～3.5)∶(14～18)∶1的腐蚀液作为负极腐蚀液，其中，HF为质量浓度40％的氢氟酸，DMF为质量浓度99.5％的二甲基甲酰胺；将质量浓度96％的分析纯NH4F、质量浓度40％的HF和水混合，组成三者的体积比为3∶6∶10的氢氟酸缓冲腐蚀液作为正极腐蚀液；
(3)电化学腐蚀前的准备：
将双槽腐蚀设备置于通风橱内，再将配置好的腐蚀液分别加入两侧腐蚀槽中，连接好电极；
磁场配置：将磁场方向垂直100晶向，同时与电场方向垂直；该磁场方向定为x轴；
将光刻好的硅片装入所述腐蚀槽中。
(4)电化学腐蚀的实施：按照工艺要求，在腐蚀液、0.01～0.08A电流及磁场的协同作用下对光刻好的硅片进行电化学腐蚀。
(5)后处理：电化学腐蚀结束后将硅片取下用去离子水冲洗干净，然后进行烘干。其中：烘干温度为70～100℃，烘干时间为10～30分钟。
经过上述步骤，得到硅基三维结构的产品。
上述图形掩模的形状可以为圆形、方形、正方、棱形或等边梯形阵列。
本发明还可以由以下方法配置负极腐蚀液：将HF、DMF和水混合，组成三者的体积比为3∶16∶1的腐蚀液。
上述磁场可以为10～100mT强度的磁场，优选为72mT强度的磁场。
步骤(4)中所述工艺要求是指：采用0.01～0.08A的直流电流，优选值为0.04A的直流电流。腐蚀时间为120～300分钟，优选值为150分钟。腐蚀深度为60～100微米，优选值为65微米。腐蚀间距为20～300微米，优选值为300微米。
步骤(3)中所述电极可以采用石墨电极。
本发明采用以下方法将得到硅基三维结构的产品利用扫描电子显微镜作表面和断面形貌观察和分析，以检验该产品的质量，该方法是：将得到硅基三维结构的产品表面和断面分别平放和垂直放在扫描电子显微镜的样品台上，之后放入扫描电子显微镜的样品架上，抽真空进行观察。
本发明与传统的硅基三维结构电化学腐蚀的方法相比主要有以下的优点：
其一.工艺简单：避免了在硅片背面镀导电金属层，减小了工艺难度，有益于体硅加工工艺与IC工艺的兼容性。
其二.实用性强：很好地解决了间距为20～300μm的大间距周期性圆碗结构、凸角结构和台状结构的腐蚀问题，并且刻蚀深度可以达到30～100微米深。
其三.可操作性强：
由于磁场的存在，能够抑制横向电流从而能够阻止分叉结构，所以通过控制空穴的分布就可以很好的对电化学腐蚀过程进行控制。
基于霍尔效应的设计原理，磁场方向垂直(100)晶向(将该方向定为x轴)同时与电场方向垂直。光刻图形间距为20-300μm，图形掩模分别为方形、圆形和棱形等不同形状。将双槽电化学腐蚀装置置于垂直磁场中，磁场强度大小由电磁铁提供，用特斯拉计测电磁铁的磁感应强度，通过调节电磁铁线圈通电电流来控制磁场强度大小。
具体实施方式
本发明提供一种硅基三维结构磁场辅助电化学腐蚀的方法，该方法是一种改进电化学腐蚀硅基三维结构大间距图形陡直性的方法，是一种有别于现有技术的硅基三维结构电化学腐蚀的方法。具体是：采用双槽腐蚀装置(又称容器)，经光刻后的硅片，装入该装置中；容器由耐酸耐碱的聚四氟乙烯材料制成，硅片放置于槽的孔内，密封圈和固定槽之间将整个容器完全分隔为两个部分，两侧各放置石墨电极，两个石墨电极分别接直流稳压源的正极和负极，用螺钉拧紧固定两腐蚀槽，以免漏液；负极腐蚀液由不同配比的HF与DMF混合腐蚀组成，正极腐蚀液是将96％的分析纯NH4F、质量浓度40％的HF和水混合，组成三者的体积比为3∶6∶10的氢氟酸缓冲腐蚀液。两端加上可调节的腐蚀电流，电流经溶液穿过硅片。这样，正对负电极的硅片成为电化学反应的阳极，进行阳极氧化反应，也即电化学腐蚀反应。同时，在垂直电流方向加上磁场。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
将掩模窗口为方形、圆形、菱形和等边梯形阵列的样品装入腐蚀槽中，腐蚀电流为0.01-0.08A，最终腐蚀为完好凸角结构，该方法不需要在掩模版上附加任何补偿块，腐蚀过程可控性好；图形不受晶格和腐蚀时间限制，可以加工任意形状的微结构；图形转移时 无需晶向对准，简化了操作步骤。
实施例1：利用方形阵列掩模光刻为方形阵列的含SiO2掩蔽层的N型Si(100)样品装入腐蚀槽中，方形窗口边长为300μm，间距也为300μm，垂直磁场强度63mT，腐蚀电流0.04A，腐蚀时间150min，图形上部为完好的方形，腐蚀深度约为65um，侧壁有一定的倾斜，底部比顶部稍大，但仍为方形，整个图形棱角分明，凸角完好，呈四棱台状，加上垂直磁场腐蚀出的图形侧壁与底面的交接线不是很明显，这种现象类同于各向同性腐蚀的特点。然后经过后处理，得到硅基三维结构的产品。
实施例2：利用方形阵列掩模光刻为方形阵列的含SiO2掩蔽层的N型Si(100)样品装入腐蚀槽中，方形窗口边长为100μm，间距也为100μm，垂直磁场强度63mT，腐蚀电流0.05A，腐蚀时间100min，图形上部为完好的方形，腐蚀深度约为50um，侧壁有一定的倾斜，底部比顶部稍大，但仍为方形，整个图形棱角分明，凸角完好，呈四棱台状，加上垂直磁场腐蚀出的图形侧壁与底面的交接线不是很明显，这种现象类同于各向同性腐蚀的特点。然后经过后处理，得到硅基三维结构的产品。
实施例3：其它内容同实施例2，不同的是：腐蚀时间为190min，腐蚀电流0.04A。增加腐蚀时间后，可增加台面高度。
实施例4：利用园形阵列掩模光刻为为圆形阵列的含Si3N4掩蔽层的N型Si(100)样品装入腐蚀槽中，圆形直径为100μm，间距为300μm，垂直磁场强度72mT，腐蚀电流0.04A，腐蚀时间190min，图形上部为完好的圆形，腐蚀深度约为83.8um，侧壁陡直性有明显好转，整个图形棱角分明，凸角完好，呈圆台状，加上垂直磁场腐蚀出的图形侧壁与底面的交接线不是很明显，这种现象类同于各向同性腐蚀的特点。然后经过后处理，得到硅基三维结构的产品。
实施例5：利用园形阵列掩模光刻为为圆形阵列的含SiO2掩蔽层的N型Si(100)样品装入腐蚀槽中，圆形直径为50μm，间距为100μm，垂直磁场强度到72mT，腐蚀电流为0.04A，腐蚀时间190min，腐蚀深度较深，侧壁陡直性较好。从实验现象上看，总体趋势是随着磁场强度的增加，从0mT增加到72mT，腐蚀后硅侧壁陡直性有明显好转，表明磁场能够有效提高侧壁陡直性，说明垂直磁场能够在侧壁底部产生水平腐蚀速率，使侧壁底部腐蚀速率趋向于顶部腐蚀速率。然后经过后处理，得到硅基三维结构的产品。
实施例6：利用方形阵列掩模光刻为方形阵列的含SiO2掩蔽层的P型Si(100)样品装入腐蚀槽中，方形窗口边长为300μm，间距也为300μm，垂直磁场强度72mT，腐蚀电流0.04A，腐蚀时间120min，图形上部为完好的方形，腐蚀深度约为65um，侧壁陡直性有明显好转，整个图形棱角分明，凸角完好，呈四棱台状，加上垂直磁场腐蚀出的图形侧壁与底面的交接线不是很明显，这种现象类同于各向同性腐蚀的特点。然后经过后处理，得到硅基三维结构的产品。
实施例7：利用方形阵列掩模光刻为方形阵列的含SiO2掩蔽层的P型Si(100)样品装入腐蚀槽中，方形窗口边长为300μm，间距也为300μm，垂直磁场强度72mT，腐蚀电 流0.04A，腐蚀时间180min，图形上部为完好的圆形，腐蚀深度约为71.3um，侧壁陡直性有明显好转，整个图形棱角分明，凸角完好，呈圆台状，加上垂直磁场腐蚀出的图形侧壁与底面的交接线不是很明显，这种现象类同于各向同性腐蚀的特点。然后经过后处理，得到硅基三维结构的产品。
实施例8：利用方形阵列掩模光刻为方形阵列的含Si3N4掩蔽层和N型外延层的P型Si(111)样品装入腐蚀槽中，方形窗口边长为300μm，间距也为300μm，垂直磁场强度72mT，腐蚀电流0.02A，腐蚀时间300min，图形上部为完好的方形，腐蚀深度约为61.3um，侧壁陡直性有明显好转，整个图形棱角分明，凸角完好，呈四棱台状，加上垂直磁场腐蚀出的图形侧壁与底面的交接线不是很明显，这种现象类同于各向同性腐蚀的特点。然后经过后处理，得到硅基三维结构的产品。
实施例9：利用圆形阵列掩模光刻为圆形阵列的含SiO2掩蔽层和N型外延层的P型Si(111)样品装入腐蚀槽中，圆形直径为100μm，间距为300μm，垂直磁场强度72mT，腐蚀电流0.02A，腐蚀时间180min，图形上部为完好的圆形，腐蚀深度约为38.5um，侧壁陡直性有明显好转，整个图形棱角分明，凸角完好，呈圆台状，加上垂直磁场腐蚀出的图形侧壁与底面的交接线不是很明显，这种现象类同于各向同性腐蚀的特点。然后经过后处理，得到硅基三维结构的产品。
Claims (8)
1.一种硅基三维结构磁场辅助电化学腐蚀的方法，其特征是该方法的步骤包括：
(1)光刻硅片：利用光刻机和图形掩模将硅片进行光刻；
(2)配置腐蚀液：将HF、DMF和水的混合，组成三者的体积比为(2.5～3.5)∶(14～18)∶1的腐蚀液作为负极腐蚀液，其中，HF为质量浓度40％的氢氟酸，DMF为质量浓度99.5％的二甲基甲酰胺；将质量浓度96％的分析纯NH4F、质量浓度40％的HF和水混合，组成三者的体积比为3∶6∶10的氢氟酸缓冲腐蚀液作为正极腐蚀液；
(3)电化学腐蚀前的准备：
将双槽腐蚀设备置于通风橱内，再将配置好的腐蚀液分别加入两侧腐蚀槽中，连接好电极，
磁场配置：将磁场方向垂直100晶向，同时与电场方向垂直；该磁场方向定为x轴，该配置的磁场的强度为10～100mT，
将光刻好的硅片装入所述腐蚀槽中；
(4)电化学腐蚀的实施：按照工艺要求，在腐蚀液、电流及配置的磁场的协同作用下对光刻好的硅片进行电化学腐蚀；所述工艺要求是指采用0.01～0.08A的直流电流，腐蚀时间为120～300分钟，腐蚀深度为60～100微米，腐蚀间距为20～300微米；
(5)后处理：电化学腐蚀结束后将硅片取下用去离子水冲洗干净，然后进行烘干；经过上述步骤，得到硅基三维结构的产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是图形掩模的形状为圆形、方形、正方、棱形或等边梯形阵列。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是由以下方法配置负极腐蚀液：将HF、DMF和水的混合，组成三者的体积比为3∶16∶1的腐蚀液。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述磁场为72mT强度的磁场。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：采用0.04A的直流电流，腐蚀时间为150分钟，腐蚀深度为65微米，腐蚀间距为300微米。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是步骤(5)中，采用以下工艺条件进行烘干：烘干温度为70～100℃，烘干时间为10～30分钟。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是采用石墨电极。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是采用以下方法将得到硅基三维结构的产品利用扫描电子显微镜作表面和断面形貌观察和分析，以检验该产品的质量，该方法是：将得到硅基三维结构的产品表面和断面分别平放和垂直放在扫描电子显微镜的样品台上，之后放入扫描电子显微镜的样品架上，抽真空进行观察。
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