CN102157352A - 一种微纳结构的湿法腐蚀方法及其腐蚀装置 - Google Patents

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严远
杨芳
王玮
罗葵
田大宇
刘鹏
李婷
张大成
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Abstract

本发明公开了一种微纳结构的湿法腐蚀方法及其腐蚀装置，其方法包括：A、将表面具有微纳结构的待蚀刻基片置于腐蚀液容器的基座上；B、将腐蚀液注入腐蚀液容器中，腐蚀液液面淹没基片表面；C、通过腐蚀液容器侧面设置对应的进出液口或通过在腐蚀液容器下设置摇床使腐蚀液水平流动，和/或使基座转动；D、在腐蚀液水平流动和/或基座转动的情况下湿法腐蚀基座上的待蚀刻基片表面微纳结构。腐蚀装置包括腐蚀液容器和基座，基座置于腐蚀液容器内，腐蚀液容器两侧设有进/出液口或腐蚀液容器下设有摇床；基座可转动。本发明通过腐蚀液水平流动或/和基座转动，保证腐蚀液的均匀搅拌，使腐蚀均匀性得到了有效的控制，保证了微纳结构的蚀刻效果。

Description

一种微纳结构的湿法腐蚀方法及其腐蚀装置
技术领域
本发明属于微纳加工工艺技术领域，涉及微结构的各向同性湿法腐蚀，特别是涉及一种湿法腐蚀方法及装置。
背景技术
微电子机械系统(MEMS)技术作为九十年代发展起来的一项跨学科新兴先进技术，对提高人们的生活水平以及增强国力起到了重要的作用。MEMS的跨学科特点，使其在发展过程中涉及的研究领域和加工技术种类繁多。近年来，随着MEMS器件不断向新颖性和多样化发展，器件的集成度和复杂性不断提高，器件的设计和加工已不再拘泥于二维尺度，湿法腐蚀可以比较低的成本制备比较复杂的的三维结构。
在湿法腐蚀过程中，有很多因素影响腐蚀的效果。对于基片上待腐蚀图形内部均匀性以及图形间均匀性影响最大的是腐蚀液中反应物和生产物的输运、气泡的排出、反应热传输等问题。为了使整个被腐蚀基片表面获得充分均匀的腐蚀液供应就必须在腐蚀的过程中对腐蚀液进行充分的搅拌，现有的腐蚀液搅拌方式有很多种，比如有震荡、鼓泡和一般的搅拌器搅拌等，这些方法中腐蚀液的流动比较杂乱和随机，均匀性不容易控制，直接影响微纳结构的蚀刻效果。
发明内容
为了克服现有腐蚀技术的缺陷，本发明提供一种新的腐蚀方法和装置，使腐蚀液的流动保持均匀，其流动的各项参数也可根据情况进行调整，以确保在各种不同的条件下都能得到较好的腐蚀均匀性。
本发明的技术方案是：一种湿法腐蚀方法，包括如下步骤：
A、将表面具有微纳结构的待蚀刻基片置于腐蚀液容器的基座上；
B、将腐蚀液注入腐蚀液容器中，腐蚀液液面淹没基座上的待蚀刻基片表面；
C、通过腐蚀液容器侧面设置对应的进出液口或通过在腐蚀液容器下设置摇床绕中轴摆动使腐蚀液水平流动，和/或使基座转动；
D、在腐蚀液水平流动和/或基座转动的情况下湿法腐蚀基座上的待蚀刻基片表面微纳结构。
本发明采用腐蚀液水平流动搅拌或/和基座带动基片旋转搅拌的腐蚀方法。
所述基座可双向转动。可通过磁力搅拌器或旋转电机使所述基座转动。
所述进液口进液量与出液口出液量保持一致以保持腐蚀液液面位置不变。
所述进出液口连接水泵。
腐蚀液容器侧面并排设置多组位置相对的进出液口。
所述腐蚀液单向水平流动或基座单向转动。
所述腐蚀液双向水平流动或基座双向转动。基座双向转动是指基座周期性地改变转动方向。当通过腐蚀液容器侧面设置进出液口使腐蚀液水平流动时，在腐蚀过程中可以是腐蚀液按一个方向流动的单向流动，也可以是周期改变流动方向的双向流动；而摇床形成的腐蚀液水平流动则是双向往复流动。
腐蚀液单向流动，基座双向转动。
腐蚀液双向水平流动，基座双向转动。
腐蚀液单向水平流动，基座单向转动。
腐蚀液双向水平流动，基座单向转动。
设置恒温仪使腐蚀液容器内的腐蚀液保持温度恒定。
一种湿法腐蚀装置包括腐蚀液容器、可旋转的基座，基座置于腐蚀液容器中，还包括使腐蚀液可水平流动的设备，所述设备与腐蚀液容器相连。
所述使腐蚀液水平流动的设备是设在腐蚀液容器上的进/出液口或是设在腐蚀液容器下的摇床。摇床绕中轴摆动。
所述进/出液口通过管道连接水泵。
所述基座转动通过磁力搅拌器或旋转电机实现。在基座上安装磁力搅拌器或旋转电极的方法为现有技术。
所述腐蚀液系统还包括恒温仪，设置在腐蚀液容器外。恒温仪可以为腐蚀液容器提供外部加热或冷却，使腐蚀液保持合适的温度。
恒温仪可以为恒温箱或外置冷凝管和加热器，若恒温仪为恒温箱，则腐蚀液容器置于恒温箱中，因为整个箱内的环境都是恒温的。
另一种是在腐蚀容器外放置冷凝管和加热器，根据腐蚀液的温度，控制冷凝和加热使腐蚀液的温度保持恒定。
本发明的有益效果：
本发明通过腐蚀液水平平稳流动或/和基座转动，保证了腐蚀液的均匀、充分搅拌，其腐蚀液流动或转动的各项参数可以调节，如调整腐蚀液水平流动的速度和方向、基座转动的转速、基座变换转动方向的时间周期等，使腐蚀均匀性得到了有效的控制，保证了微纳结构的蚀刻效果。
附图说明
图1是本发明实施例1的腐蚀装置的透视示意图；
图2是本发明实施例1的腐蚀装置的纵剖面示意图；
图3是本发明实施例1的腐蚀装置的俯视示意图；
图4是本发明实施例2的腐蚀装置的透视示意图；
图5是本发明实施例2的腐蚀装置的纵剖面示意图；
图6是本发明实施例2的腐蚀装置的俯视示意图。
其中：
1-腐蚀液容器；
2-硅片基座；
3-需蚀刻的基片；
4-腐蚀液液面；
5-进/出液口；
6-摇床
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
本发明的一个实施例，进行硅片微纳结构的腐蚀，腐蚀液为HNA，其装置包括腐蚀液容器1、基座2，基座2置于腐蚀容器1内，基座2可旋转，腐蚀液容器1相对的两侧设有进/出液口5。
采用的腐蚀方法为：腐蚀液单向水平流动+基座双向转动，包括以下步骤：
1.向装有基座的腐蚀液容器1中注入HNA腐蚀液，液面4达到图1或2的位置；
2.将需蚀刻微纳表面结构的基片3放置到基座2上，基片3为硅片；
3.将水泵通过水管连接到进/出液口5(水泵未显示)，使腐蚀液从容器1一侧的进液口5流向容器1另一侧的出液口5，且进液口进液量与出液口出液量保持一致以保持腐蚀液液面位置不变并形成循环，从而使腐蚀液水平流动并保持稳定；
4.基座2双向旋转，基座2可以通过磁力搅拌器或旋转电机等方式实现旋转；
5.调整腐蚀液水平流动的速度和方向、基座转动的转速、基座变换转动方向的时间周期等参数、以获得最好的腐蚀效果。本领域技术人员可以根据腐蚀液的种类，需蚀刻基片的材料特性以及需蚀刻的微纳结构图形情况进行一定试验获得最佳的参数。
在上述过程中，可以开启腐蚀液容器1外的恒温仪(图中未显示)，以保持腐蚀液容器1中腐蚀液在合适的温度。
上述的腐蚀方法也可以根据蚀刻的硅片微纳结构的要求改为腐蚀液单向水平流动；或基座2单向转动；或腐蚀液双向水平流动；或基座2双向转动；或腐蚀液单向流动+基座2双向转动；或腐蚀液双向水平流动+基座2双向转动；或腐蚀液单向水平流动+基座2单向转动；或腐蚀液双向水平流动+基座2单向转动。
实施例2
本发明的另一个实施例，进行硅片的HNA腐蚀，其装置包括腐蚀容器1、基座2，基座2置于腐蚀容器1内，基座2可双向旋转，腐蚀液容器1置于摇床6上。
采用的腐蚀方法为：腐蚀液双向水平流动+基座双向转动，包括以下步骤：
1、向装有基座的腐蚀容器1中注入HNA腐蚀液，液面4达到图4或5的位置；
2、将需蚀刻微纳表面结构的基片3放置到基座2上，基片3为硅片；
3、将腐蚀液容器1置于摇床6上，启动摇床2绕中轴7来回摆动使腐蚀液容器1内的腐蚀液来回水平流动
4、基座2双向旋转，基座2可以通过磁力搅拌器或旋转电机等方式实现旋转；
5、调整摇床2的摆动周期、基座转动的转速、基座变换转动方向的时间周期等参数、以获得最好的腐蚀效果。本领域技术人员可以根据腐蚀液的种类，需蚀刻基片的材料特性以及需蚀刻的微纳结构图形情况进行一定试验获得最佳的参数。
实施例3使用实施例2的腐蚀装置和方法与使用搅拌器的腐蚀方法对比
NHA腐蚀Si，腐蚀60分钟，腐蚀图形尺寸有三种：半径分别为500微米，800微米和1000微米
(1)使用实施例2的摇床，其参数为摇床摆动的周期为30次/分，基座转动的速率为15rpm，转向周期为1min，腐蚀结果为：
对于硅片中心的腐蚀图形：
500微米：底部很平，深度74.7微米
800微米：最低点74.4微米，最高点72.8微米
1000微米：最低点73.3微米，最高点70.7微米
对于硅片外缘的腐蚀图形：
500微米：底部很平，深度76.0微米
800微米：最低点74.1微米，最高点73.8微米
1000微米：最低点72.7微米，最高点70.0微米
(2)使用一般搅拌器，搅拌器转速15rpm，反向周期1min，腐蚀结果如下：
对于硅片中心的腐蚀图形：
500微米：最低点72.1微米，最高点69.5微米
800微米：最低点84.1微米，最高点72.0微米
1000微米：最低点73.4微米，最高点65.6微米
对于硅片外缘的腐蚀图形：
500微米：最低点71.8微米，最高点69.3微米
800微米：最低点82.5微米，最高点70.5微米
1000微米：最低点73.3微米，最高点65.6微米
在相同的腐蚀时间下，本发明的腐蚀效果远好于使用一般搅拌器的效果，其蚀刻出的图形底面平整，蚀刻深度均匀，高低起伏小于采用一般搅拌器所刻蚀出的图形。

Claims (12)

1.一种微纳结构的湿法腐蚀方法，包括如下步骤：
A、将表面具有微纳结构的待蚀刻基片置于腐蚀液容器的基座上；
B、将腐蚀液注入腐蚀液容器中，腐蚀液液面淹没基座上的待蚀刻基片表面；
C、通过腐蚀液容器侧面设置对应的进/出液口或通过在腐蚀液容器下设置摇床绕中轴摆动使腐蚀液水平流动，和/或使基座转动；
D、在腐蚀液水平流动和/或基座转动的情况下湿法腐蚀基座上的待蚀刻基片表面微纳结构。
2.根据权利要求1所述的微纳结构的湿法腐蚀方法，其特征在于进液口进液量与出液口出液量保持一致以保持腐蚀液液面位置不变。
3.根据权利要求1或2所述的微纳结构的湿法腐蚀方法，其特征在于所述基座可以双向转动，通过磁力搅拌器或旋转电机使所述基座转动。
4.根据权利要求1或2所述的微纳结构的湿法腐蚀方法，其特征在于所述进出/液口连接水泵。
5.根据权利要求4所述的微纳结构的湿法腐蚀方法，其特征在于腐蚀液容器侧面并排设置多组位置相对的进/出液口。
6.根据权利要求1所述的微纳结构的湿法腐蚀方法，其特征在于设置恒温仪使腐蚀液容器内的腐蚀液保持温度恒定。
7.根据权利要求1所述的微纳结构的湿法腐蚀方法，其特征在于所述基片为硅片，腐蚀液为HNA腐蚀液。
8.一种微纳结构的湿法腐蚀装置，包括腐蚀液容器和基座，基座置于腐蚀液容器内，其特征在于基座可转动；腐蚀液容器两侧设置有进/出液口或腐蚀液容器下设置有摇床。
9.根据权利要求8所述的微纳结构的湿法腐蚀装置，其特征在于所述进/出液口通过管道连接水泵。
10.根据权利要求8或9所述的微纳结构的湿法腐蚀装置，其特征在于所述基座上设有磁力搅拌器或旋转电机。
11.根据权利要求8或9所述的微纳结构的湿法腐蚀装置，其特征在于腐蚀液容器相对的两侧设有多组进/出液口。
12.根据权利要求8所述的微纳结构的湿法腐蚀装置，其特征在于所述腐蚀装置还包括恒温仪，设置在腐蚀液容器外。
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