CN102732885A - 一种磁场辅助的硅微纳加工工艺及装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场辅助的硅微纳加工工艺，具体为：在单晶硅片上旋涂光刻胶，由光刻得到所需微纳尺度图案；在所得样品表面依次镀上金属膜A、B和A，金属膜A为金或银，金属膜B为铁；采用HF和H₂O₂的混合溶液作为刻蚀剂对单晶硅片进行金属催化刻蚀，反应处于强度和方向可调的磁场环境中；去除光刻胶和残留的金属膜，并清洗干净。本发明还提供了实现上述工艺的装备，包括储液装置、溶液流量控制装置、反应密封腔、电磁场控制系统以及计算机控制系统。本发明在刻蚀反应中引入磁场，通过磁场对铁膜的吸引作用诱导金属膜沿磁场方向运动，刻蚀反应沿着磁场方向进行，从而实现了刻蚀方向的可控。

Description

一种磁场辅助的硅微纳加工工艺及装备

技术领域

本发明涉及微纳制造领域，更具体地，涉及一种磁场辅助的硅微纳结构金属催化刻蚀工艺及装备。

背景技术

半导体微纳结构因其在电子和光子领域具有极好的应用前景而引起研究者极大的兴趣。硅作为半导体工业的核心材料，其微纳结构更是受到前所未有的关注，并且硅微纳结构能够与目前商业化的电子器件相兼容，具有良好的市场前景。硅纳米结构目前已经被成功用于生物或化学传感器、场效应管、锂电池、太阳能电池以及其他光伏器件，并且所得器件具有非常优异的特性。

硅微米结构刻蚀，尤其是硅深刻蚀结构，目前一般利用ICP设备，采用Bosch工艺。该工艺采用刻蚀气体和钝化气体重复交替刻蚀以提高硅刻蚀的选择性和深宽比，但这种工艺难以避免的会在刻蚀侧壁产生波纹。其侧壁粗糙度及垂直度难以提高。另外利用上述工艺刻蚀硅通孔结构需要上百次的循环，光刻胶很可能会被破坏，难以保护硅片表面，影响表面质量。此外ICP刻蚀价格高昂，对该项技术的普及应用造成影响。

研究者尝试用各种方法制备硅纳米结构，例如热蒸发、水热法、CVD-VLS工艺等等。然而所得纳米结构都有很大的缺陷，比如，纳米线的方向很混乱，粗细长短在很大程度上难以控制。也就是说利用这些方法制备得到可控的制备硅纳米结构仍然是一个挑战。

近年来，金属催化刻蚀工艺快速发展，利用单一贵金属颗粒或薄膜可以实现纳米尺度图形的深刻蚀，但实现微米尺度刻蚀仍然非常困难，而且对于微纳尺度三维结构的刻蚀难以实现。因此，开发出高效、低成本的制造工艺及设备，对于工业生产及经济发展都具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁场辅助的硅微纳加工工艺，解决现有技术可控性差的问题。

本发明的另一目的在于提供一种磁场辅助的硅微纳加工装备，解决现有技术可控性差的问题，并且结构简单，容易操作。

一种磁场辅助的硅微纳加工工艺，包括以下步骤：

1）在单晶硅片上旋涂光刻胶，并在光刻胶上光刻微纳尺度图案；

2）在光刻胶表面依次镀上金属膜A、B和A，金属膜A为金或银，金属膜B为铁；

3）将单晶硅片置于磁场强度和方向可调的磁场环境中，采用HF和H₂O₂的混合溶液作为刻蚀剂对单晶硅片进行金属催化刻蚀；

4）去除光刻胶和残留的金属膜，并清洗干净。

进一步地，所述磁场其强度为500～2000Oe。

进一步地，所述刻蚀剂中的HF的质量百分数为5%~15%，H₂O₂的质量百分数为0.8%~3%。

进一步地，采用光学光刻或电子束光刻在光刻胶上光刻微纳尺度图案。

进一步地，所述镀膜工艺为磁控溅射、电子束蒸发或电镀工艺中的一种。

进一步地，所述步骤2）所形成的三层金属膜的厚度各为8~12nm。

一种磁场辅助的硅微纳加工工艺装备，包括储液装置、溶液流量控制装置、反应密封腔、电磁场控制系统以及计算机控制系统；

储液装置包括一个腔体，腔体内设有三个分别存储HF、H₂O₂、去离子水的容器以及加压设备，各容器管道连接溶液流量控制装置；加压设备提供压力，促使容器内的溶液经过管道流入溶液流量控制装置；

溶液流量控制装置用于控制三容器中溶液流入反应密封腔的流量，其包括三个分别与储液装置中三容器一一连通的通道以及溶液混合器，各通道上分别设有电磁阀和流量计，三通道汇聚于溶液混合器，溶液混合器通过管道连通反应密封腔；

反应密封腔用于刻蚀反应；

电磁场控制系统用于向反应密封腔提供磁场环境；

计算机控制系统电连接电磁场控制系统、各电磁阀以及各流量计，用于依据预定的流量配比和各流量计反馈的流量控制电磁阀的开关时间，并控制电磁场控制系统产生相应强度和方向的磁场。

本发明的技术效果体现在：

金属催化刻蚀工艺是是一种制备条件温和、设备简单、反应迅速的硅纳米线阵列及硅纳米结构的制备技术，本发明通过改善金属催化薄膜的组成成分和结构，并在反应引入磁场，通过磁场对铁膜的吸引作用诱导金属膜沿磁场方向运动，刻蚀反应沿着磁场方向进行，从而实现了刻蚀方向的可控，铁膜较为坚硬致密，铁膜的加入使的三层金属膜在腐蚀过程中能够保持很好的完整性，使微米尺度的腐蚀得以实现，得到的硅微纳结构其尺度可以跨越数十纳米至数百微米。另外本发明提供的相应的刻蚀装备使磁场辅助金属催化刻蚀工艺的安全、自动化操作得以实现，使高效率、低成本制备高深宽比硅微纳结构或通孔得以实现。

附图说明

图1为本发明制造工艺流程图；

图2为本发明实施例一所制得的硅微米结构示意图，图2a、b为花键槽结构的俯视和剖视图，图2c、d为微纳米柱阵列结构的俯视和剖视图；

图3为本发明实施例二所制得的硅微米结构示意图，图3a、b为金属圆块刻蚀形成微纳流道，图3c、d为金属光栅刻蚀形成Z型槽。

图4微本发明实施例三所制得的硅纳米结构示意图，图4a、b为金属薄膜网刻蚀形成弯曲纳米柱阵列。

图5为本发明工艺装备示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行具体描述。

本发明技术思路为：在刻蚀过程中调整磁场方向及强度，通过控制电磁铁中的电流控制磁场强度，电磁铁可以沿着预定弧线轨道运动以调整方向，由此可以形成各种微纳米尺度硅结构。所述微纳米尺度指微米尺度或纳米尺度。磁场方向引导刻蚀方向，从而影响硅结构；磁场强度影响刻蚀速度，强度越大，刻蚀速度越快。

实施例一

参见图1和图2，图1是按照本发明的制造方法的工艺流程图。图2是按照本发明的实施例一所制得的硅微纳结构示意图，如图1和图2中所示，本实例中磁场辅助的硅微纳加工工艺包括下列具体步骤：

（1）清洗单晶硅片，然后在其表面上旋涂AZ5214光刻胶，并通过光刻工艺将掩膜上目标硅结构对应的微米尺度图形即结构为微米量级的图形转移到光刻胶上，由此形成微米尺度的光刻胶图形。

（2）在形成有上述微米图形的单晶硅片上，采用镀膜工艺例如电子束蒸发或磁控溅射工艺依次镀上金膜12nm、铁膜8nm、金膜8nm。

（3）采用HF和H₂O₂的混合溶液作为刻蚀剂，对单晶硅片进行金属催化刻蚀，刻蚀反应处在磁场之中，磁场强度为500Oe，磁场方向垂直于硅片表面，由此可以刻蚀出各种形状垂直通孔结构，所述混合溶液中，HF和H₂O₂的质量百分比分别为5%和0.8%；

（4）使用丙酮超声清洗硅片10min，由此将光刻胶去除；

（5）使用王水（HCl：HNO₃=3:1）浸泡硅片，去除硅片上残留的金属薄膜；然后用大量去离子水冲洗硅片。

实施例二

参见图1和图3，图3是按照本发明的实施例二所制得的三维硅微纳结构示意图。其具体制造工艺步骤包括：

（1）清洗单晶硅片，然后在其表面上旋涂光刻胶，并通过光学光刻将掩膜上目标硅结构对应的微米尺度图形即结构为微米量级的图形转移到光刻胶上，由此形成微米尺度的光刻胶图形。

（2）在形成有上述微纳米尺度图形的单晶硅片上，采用适当的镀膜工艺例如电子束蒸发或磁控溅射工艺依次镀上银膜8nm、铁膜12nm、银膜10nm。

（3）采用HF和H₂O₂的混合溶液作为刻蚀剂，对单晶硅片进行金属催化刻蚀，刻蚀反应处在磁场之中，（a）光刻图形为微米或纳米尺度的圆孔，磁场强度为1500Oe，磁场方向从垂直于硅片表面变化至平行于硅片表面，（b）光刻图形为微米尺度的光栅，磁场强度为2000Oe，磁场方向倾斜于硅片表面并周期性变化。由此可以刻蚀出各种硅微米尺度结构，所述混合溶液中，HF和H₂O₂的质量百分比分别为15%和3%；

（4）使用丙酮超声清洗硅片10min，由此将光刻胶去除；

（5）使用王水（HCl：HNO₃=3:1）浸泡硅片，去除硅片上残留的金属薄膜；然后用大量去离子水冲洗硅片。

实施例三

参见图1和图4，图4是按照本发明的实施例三所制得的三维硅纳米结构示意图。其具体制造工艺步骤包括：

（1）清洗单晶硅片，然后在其表面上旋涂光刻胶，并通过电子束光刻工艺将纳米圆柱阵列图形转移到光刻胶上，由此形成纳米尺度的光刻胶圆柱阵列。

（2）在形成有上述光刻胶纳米圆柱的单晶硅片上，采用适当的镀膜工艺例如电子束蒸发或磁控溅射工艺依次镀上金膜10nm、铁膜10nm、金膜12nm。

（3）采用HF和H₂O₂的混合溶液作为刻蚀剂，对单晶硅片进行金属催化刻蚀，刻蚀反应处在磁场之中，磁场强度为800Oe磁场方向周期性的逐渐改变方向，由此可以刻蚀出弧线弯曲硅纳米线结构，所述混合溶液中，HF和H₂O₂的质量百分比分别为10%和2%；

（4）去除光刻胶及硅片上残留的金属薄膜；然后用大量去离子水冲洗硅片。

图5为本发明工艺装备示意图，装备包括储液装置1、溶液流量控制装置2、反应密封腔3、电磁场控制系统4以及计算机控制系统5。

储液装置1包括一个腔体，腔体内设有三个分别存储HF、H₂O₂、去离子水的容器以及加压设备，容器通过管道和溶液流量控制装置连通反应密封腔3。加压设备提供压力，促使容器内的溶液经过管道，在溶液流量控制装置控制下流入反应密封腔3。

溶液流量控制装置用于控制上述三容器流入反应密封腔3的流量，包括三个分别与储液装置1的容器一一连通的通道，各通道上分别设有电磁阀和流量计.三通道汇聚于溶液混合器，溶液混合器通过管道连通反应密封腔3。

反应密封腔3为刻蚀反应的容器，需要实现密封、恒温等功能。电磁场控制系统4用于提供磁场环境，采用电磁体方式，为了实现对磁场方向可调，电磁铁的位置可调。

计算机控制系统5电连接电磁场控制系统4、各电磁阀以及各流量计，用于依据预定的流量配比和各流量计反馈的流量控制电磁阀的开关时间，并控制电磁场控制系统4产生相应强度和方向的磁场。

所有接触到HF的管道及容器均采用聚四氟乙烯为材料。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种磁场辅助的硅微纳加工工艺，包括以下步骤：

1）在单晶硅片上旋涂光刻胶，并在光刻胶上光刻微纳尺度图案；

2）在光刻胶表面依次镀上金属膜A、B和A，金属膜A为金或银，金属膜B为铁；

3）将单晶硅片置于磁场强度和方向可调的磁场环境中，采用HF和H₂O₂的混合溶液作为刻蚀剂对单晶硅片进行金属催化刻蚀；

4）去除光刻胶和残留的金属膜，并清洗干净。

2.根据权利要求1所述的磁场辅助的硅微纳加工工艺，其特征在于，所述磁场其强度为500～2000Oe。

3.根据权利要求1所述的磁场辅助的硅微纳加工工艺，其特征在于，所述刻蚀剂中的HF的质量百分数为5%~15%，H₂O₂的质量百分数为0.8%~3%。

4.根据权利要求1所述的磁场辅助的硅微纳加工工艺，其特征在于，采用光学光刻或电子束光刻在光刻胶上光刻微纳尺度图案。

5.根据权利要求1所述的磁场辅助的硅微纳加工工艺，其特征在于，所述步骤（2）的镀膜工艺为磁控溅射、电子束蒸发或电镀工艺中的一种。

6.根据权利要求1至5所述的磁场辅助的硅微纳加工工艺，其特征在于，所述步骤（2）所形成的三层金属膜的厚度各为8~12nm。

7.一种磁场辅助的硅微纳加工工艺装备，包括储液装置、溶液流量控制装置、反应密封腔、电磁场控制系统以及计算机控制系统；

储液装置包括一个腔体，腔体内设有三个分别存储HF、H₂O₂、去离子水的容器以及加压设备，各容器管道连接溶液流量控制装置；加压设备提供压力，促使容器内的溶液经过管道流入溶液流量控制装置；

溶液流量控制装置用于控制三容器中的液体流入反应密封腔的流量，其包括三个分别与储液装置中三容器一一连通的通道以及溶液混合器，各通道上分别设有电磁阀和流量计，三通道汇聚于溶液混合器，溶液混合器通过管道连通反应密封腔；

反应密封腔用于刻蚀反应；

电磁场控制系统用于向反应密封腔提供磁场环境；

计算机控制系统电连接电磁场控制系统、各电磁阀以及各流量计，用于依据预定的流量配比和各流量计反馈的流量控制电磁阀的开关时间，并控制电磁场控制系统产生相应强度和方向的磁场。

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