CN102956548A - 一种电场辅助的硅通孔刻蚀工艺 - Google Patents

一种电场辅助的硅通孔刻蚀工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电场辅助的硅通孔刻蚀工艺，包括步骤：（1）在单晶硅片上旋涂光刻胶并通过光学光刻或电子束光刻得到光刻胶图形；（2）镀上银膜或金膜；（3）在电场之中，采用HF、H2O2和去离子水的混合溶液作为刻蚀剂进行金属催化刻蚀；（4）去除光刻胶；（5）去除单晶硅片上残留的金属膜并进行清洗处理。本发明通过在刻蚀过程中控制电场强度，由此形成从数十纳米至数百微米尺度的各种微纳米尺度通孔结构。

Description

一种电场辅助的硅通孔刻蚀工艺
技术领域
本发明涉及微纳制造领域，更具体地，涉及一种电场辅助的硅通孔金属催化刻蚀工艺。
背景技术
随着电子信息、汽车电子、航空航天等行业的快速发展，其对微机电系统、微流体系统的加工及封装也提出了更高的要求。三维集成电子封装需要在硅片上制作出许多通孔来实现不同芯片之间的电互连。微流体系统中需要各种制作各种流体孔道。因此硅通孔刻蚀技术成为微纳制造领域的一项重要技术。
硅通孔刻蚀技术实质上为一种深硅刻蚀技术。目前，深硅刻蚀一般利用ICP设备，采用Bosch工艺，该工艺属于干法刻蚀工艺，使用刻蚀气体和钝化气体重复交替加工以提高硅刻蚀的选择性和深宽比，但这种工艺不可避免的会在侧壁产生波纹。其侧壁光滑度及垂直度均不够理想。另外利用上述工艺刻蚀通孔需要上百次的循环，光刻胶会被破坏，难以保护硅片表面，影响表面质量。另外ICP设备及刻蚀气体非常昂贵，不利于该项技术的普及应用。
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，但实现通孔刻蚀仍然非常困难，而且对于微米尺度的图形深刻蚀难以实现。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
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种电场辅助的硅通孔刻蚀工艺，实现从数十纳米至数百微米尺度的各种微纳米尺度通孔结构的刻蚀。
一种电场辅助的硅通孔刻蚀工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在单晶硅片上旋涂光刻胶，并通过光学光刻或电子束光刻得到目标通孔结构对应的光刻胶图形；
（2）在刻有光刻胶图形的单晶硅片上镀金膜或银膜；
（3）将镀金膜或银膜的单晶硅片置于电场环境中，采用HF、H2O2和去离子水的混合溶液作为刻蚀剂对其作金属催化刻蚀；
（4）去除光刻胶；
（5）去除单晶硅片上残留的金属膜并清洗干净。
进一步地，所述电场强度为10～500v/m。
进一步地所述电场方向垂直于硅片表面。
进一步地所述目标通孔孔径尺度大于20μm时，所述光刻胶图形对应该孔的边缘形状；所述目标通孔孔径尺度小于20μm时，光刻图形对应该孔的形状。
进一步地，所述镀膜采用磁控溅射、电子束蒸发或者电镀工艺。
进一步地，所述金膜或银膜厚度为20～50nm。
进一步地，所述HF、H2O2和去离子水的混合溶液中，HF的质量百分比为5%~15%，H2O2的质量百分比为0.5%~3%。
一种硅微纳尺度的硅通孔结构，按照前述的方法而制得。
本发明的技术效果体现在：
金属催化刻蚀工艺是是一种设备要求简单、操作简便、反应迅速的硅纳米线阵列制备技术，本发明通过优化金属催化薄膜的结构，并在反应引入电场，由于电场对电化学反应中电荷的传递产生增强影响，实现了微米尺度孔的刻蚀；通过在刻蚀过程中控制电场强度由此形成从数十纳米至数毫米尺度的各种微纳米尺度通孔结构，并提高了刻蚀孔的准直度。
附图说明
图1为本发明制造方法的工艺流程图；
图2为按照本发明的实施例一所制得的通孔结构示意图，刻蚀前金属膜的位置即是刻蚀后通孔的位置；
图3为按照本发明的实施例二所制得的通孔结构示意图，3（a）为刻蚀前金属膜示意图，3（b）为未刻穿时形成的深孔结构，3（c）为刻穿之后形成的通孔结构；
图4是按照本发明的实施例三所制得的纳米尺度通孔阵列结构示意图，图4a为为刻蚀前的通孔阵列，图4b为刻蚀后的通孔阵列。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行具体描述。
实施例一
参见图1和图2，图1是本发明方法的工艺流程方框图。图2是按照本发明的实施例一所制得的通孔结构示意图，如图1和图2中所示，本实例中电场辅助的硅通孔金属催化刻蚀工艺包括下列具体步骤：
（a）清洗单晶硅片，然后在其表面上旋涂光刻胶，并通过光刻工艺将所需特征尺度为5微米的方形孔和三角形孔结构对应的掩膜上的微米尺度图形转移到光刻胶上，由此形成微米孔的光刻胶图形。
（b）在形成有上述微米孔光刻胶的单晶硅片上，采用磁控溅射工艺镀金膜40nm。
（c）采用HF、H2O2及去离子水的混合溶液作为刻蚀剂，对单晶硅片进行金属催化刻蚀，刻蚀反应处在强度为200v/m的电场之中，电场方向垂直于硅片表面，所述混合溶液中，HF和H2O2的质量百分比分别为10%和0.8%，由此可以刻蚀出各种形状的垂直硅通孔结构；
（d）使用超声辅助丙酮清洗硅片10min，由此去除光刻胶；
（e）使用质量分数为69%的浓硝酸浸泡硅片，去除硅片上残留的金属薄膜；之后用去离子水冲洗硅片。
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大尺寸通孔结构示意图。其具体制造工艺步骤包括：
（a）清洗单晶硅片，然后在其表面上旋涂光刻胶，并通过光刻工艺将掩膜上的直径约200微米的圆环类图形转移到光刻胶上，由此形成微米环孔的光刻胶图形。
（b）在形成有上述微米环孔的单晶硅片上，采用电子束蒸发工艺镀银膜50nm。
（c）采用HF、H2O2及去离子水的混合溶液作为刻蚀剂，对单晶硅片进行金属催化刻蚀，刻蚀反应处在强度为500v/m的电场之中，电场方向垂直于硅片表面，所述混合溶液中，HF和H2O2的质量百分比分别为15%和3%，由此可以刻蚀出各种垂直通孔结构；
（d）使用丙酮超声清洗硅片10min，由此去除光刻胶；
（e）使用质量分数为69%的浓硝酸浸泡硅片，去除硅片上残留的金属薄膜；之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纳米尺度通孔阵列结构示意图。其具体制造工艺步骤包括：
（c）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形成50纳米孔阵列对应的光刻胶图形。
（d）在形成有上述纳米孔光刻胶图形的单晶硅片上，采用磁控溅射工艺镀银膜20nm。
（c）采用HF、H2O2及去离子水的混合溶液作为刻蚀剂，对单晶硅片进行金属催化刻蚀，刻蚀反应处在强度为10v/m的电场之中，电场方向垂直于硅片表面，所述混合溶液中，HF和H2O2的质量百分比分别为5%和0.5%，由此可以刻蚀出各种垂直通孔结构；
（d）使用丙酮超声清洗硅片10min，由此去除光刻胶；
（e）使用质量分数为69%的浓硝酸浸泡硅片，去除硅片上残留的金属薄膜；之后用大量去离子水冲洗硅片。
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 (8)

1.一种电场辅助的硅通孔刻蚀工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在单晶硅片上旋涂光刻胶，并通过光学光刻或电子束光刻得到目标通孔结构对应的光刻胶图形；
（2）在刻有光刻胶图形的单晶硅片上镀金膜或银膜；
（3）将镀金膜或银膜的单晶硅片置于电场环境中，采用HF、H2O2和去离子水的混合溶液作为刻蚀剂对其作金属催化刻蚀；
（4）去除光刻胶；
（5）去除单晶硅片上残留的金属膜并清洗干净。
2.如权利要求1所述的一种电场辅助的硅通孔刻蚀工艺，其特征在于，所述电场强度为10～500v/m。
3.如权利要求1或2所述的一种电场辅助的硅通孔刻蚀工艺，其特征在于，所述电场方向垂直于硅片表面。
4.如权利要求1或2所述的电场辅助的硅通孔刻蚀工艺，其特征在于，所述目标通孔孔径尺度大于20μm时，所述光刻胶图形对应该孔的边缘形状；所述目标通孔孔径尺度小于20μm时，光刻图形对应该孔的形状。
5.如权利要求1或2所述的电场辅助的硅通孔刻蚀工艺，其特征在于，所述镀膜采用磁控溅射、电子束蒸发或者电镀工艺。
6.如权利要求1或2所述的一种电场辅助的硅通孔刻蚀工艺，其特征在于，所述金膜或银膜厚度为20～50nm。
7.如权利要求1或2所述的电场辅助的硅通孔刻蚀工艺，其特征在于，所述HF、H2O2和去离子水的混合溶液中，HF的质量百分比为5%~15%，H2O2的质量百分比为0.5%~3%。
8.一种硅微纳尺度的硅通孔结构，由按照权利要求1-7任意一项所述的方法而制得。
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