CN103395740A

CN103395740A - 基于绝缘体上硅选择性制备多孔硅的方法

Info

Publication number: CN103395740A
Application number: CN2013103328545A
Authority: CN
Inventors: 许高斌; 卢翌; 陈兴; 马渊明
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2013-11-20

Abstract

本发明涉及一种基于绝缘体上硅（SOI）选择性制备多孔硅的新方法。该方法是采用在SOI硅片上两次腐蚀后进行多孔硅的制备，第一次腐蚀是将SOI硅片的底层硅刻蚀出一个凹槽，第二次是腐蚀在凹槽处露出的绝缘层。再采用电化学腐蚀方法在凹槽对应的上层硅上制备多孔硅，在这上层硅上可以分别在两侧制得多孔硅，也可以两侧都腐蚀出多孔硅。在制备过程中由于只有在腐蚀了绝缘材料区域导通电流，故制备出的多孔硅表面形状和尺寸与掩膜板上设有的透光区域相一致。此方法利用成熟的腐蚀工艺，制备方法很简单，便于操作，成本低廉，在微电子机械系统(MEMS)和集成电路(IC)等领域具有非常好的推广价值。

Description

基于绝缘体上硅选择性制备多孔硅的方法

技术领域

本发明属于纳米电子学技术领域，具体涉及一种基于绝缘体上硅选择性制备多孔硅的方法。

技术背景

早在1956年时，美国贝尔实验室Uhlir首次发现并报道了通过电化学腐蚀法可以形成多孔硅薄膜。随后1958年，D.Turner对阳极氧化法成膜的机理进行了研究，并详细论述了多孔硅薄膜的刻蚀条件及其相关性质。

目前，制备多孔硅的方法有多种，但总体可归纳为电化学腐蚀法、光化学腐蚀法、刻蚀法、化学浸湿法和水热腐蚀法等。制备多孔硅采用的材料主要有不同晶向的P型和N型硅片及其他一些粉末材料等。例如，中国专利200610031944描述了一种方法，通过以去离子水为溶剂，加入不大于溶剂重量1%的一氧化硅粉末，混合后置入密封的反应釜中搅拌，将剪裁好的硅片悬挂在该密封反应釜中，于200-500℃温度、3-40MPa压力下保温1-5h，在悬挂的硅片上制得多孔硅。这种类型的制备方法虽然无酸性物质参与反应，但需要的制备环境要求偏高，并且制备出的整个硅片上都有多孔硅存在，但是，在某些应用场合不需整个硅片上都有多孔硅，即该方法不能实现选择性制备出可控结构参数的多孔硅层。

近年来，由于基于绝缘体上硅（SOI，Silicon On Insulator）衬底的技术与互补金属氧化物半导体（CMOS）电路工艺兼容性很好，所以关于SOI制备多孔硅的研究深得亲睐，其主要制备方法有化学浸湿和气相刻蚀。但传统的电化学腐蚀法无法在SOI硅片上制备高质量的多孔硅层。如果对传统的电化学腐蚀加工工艺加以改进，就能扩充多孔硅的制备方法，还能很好的控制多孔硅的多种结构参数。比如，中国专利201010266478描述了一种新方法，通过在SOI上层硅上通横向电流的电化学腐蚀制备多孔硅，该方法通过垫片（密封圈）将腐蚀面分成内外两个区域，在外区域施加正电流，内区域为负极，进行阳极电化学法腐蚀出多孔硅。这种类型的制备方法采用了横向电流在SOI硅材料上制备多孔硅，但制备过程中需将垫片压紧，这样很容易使比较脆的硅片压碎，并且要把硅片压在垫片上后保证致密性，以防止内外两个区域的溶液相通。

发明内容

为了解决在绝缘体上硅上选择性制备出可控结构参数的多孔硅层的问题，本发明提供一种基于绝缘体上硅选择性制备多孔硅的方法。

基于绝缘体上硅选择性制备多孔硅的具体操作步骤如下：

（1）备片：绝缘体上硅的硅片由上层硅1、绝缘材料层2和底层硅3形成的三层结构的整体硅片，所述上层硅1的材料和底层硅3的材料均为硅，所述绝缘材料层2材料为二氧化硅或氮化硅；用99.5%分析纯的丙酮溶液对硅片进行超声清洗5min，去除表面的油脂污染物，用去离子水冲洗干净；然后用无水乙醇进行超声清洗5min，去除表面的有机残留物，用去离子水冲洗干净；将硅片在氮气保护下、温度150℃的热板上脱水烘焙1min；

（2）湿法刻蚀底层硅：

1）采用匀胶机在硅片的底层硅3上旋涂一层厚度1μm的光刻胶，形成光刻胶层6，匀胶机的旋转速度为3000-5000转/min，旋涂时间为50s；在氮气保护下、温度90℃的热板上烘焙120s；

2）在光刻胶层6上贴上掩膜板7，所述掩膜板7上设有透光区域，所述透光区域与生成多孔硅的表面形状和尺寸相一致；在光刻机下曝光，曝光时间为30s，取下掩膜板7，对已曝光的硅片在氮气保护下、温度110℃的热板上烘焙60s；

3）采用正胶显影液对曝光后的硅片进行显影，消除曝光区域（8）的光刻胶；显影后的硅片在氮气保护下、温度120℃的热板上烘焙120s，将残余的显影液蒸干；

4）采用浓度5%的氢氧化钾溶液对曝光区域8的底层硅3刻蚀，刻蚀到绝缘材料层2的表面时停止；由于未曝光的光刻胶区域的硅受到保护不被腐蚀，曝光区域8没有受到光刻胶保护而被腐蚀，从而形成一凹槽；

5）使用99.5%分析纯的丙酮溶液去除硅片的底层硅3表面上剩余的光刻胶；

（3）干法刻蚀凹槽处露出的绝缘层：

1）当绝缘材料层2材料为二氧化硅时，利用体积流量比为50:3的三氟甲烷和氧气（CHF₃:O₂）的混合气体对与曝光区域8对应凹槽处露出的绝缘材料层2进行垂直刻蚀，其刻蚀速率为30-50nm/min，刻蚀到与凹槽处相对应的上层硅1的下表面4时停止；

2）当绝缘材料层2材料为氮化硅时，利用体积流量比为10:1的四氟化硫和氧气（SF₆:O₂）的混合气体对与曝光区域8对应凹槽处露出的绝缘材料层2进行垂直刻蚀，刻蚀到与凹槽处相对应的上层硅1的下表面4时停止；

（4）用电化学腐蚀法在硅片的上层硅1上制备多孔硅层：所述电化学腐蚀法中阳极材料和阴极材料均为石墨，腐蚀液为溶度40%的氢氟酸溶液和无水乙醇的混合液，所述混合液的体积比为2：1～1：2；将硅片的上层硅1的凹槽一侧面对阴极，即在凹槽内的上层硅1的下表面4上制备出一层下表面多孔硅9；所述下表面多孔硅9是体内有大量空洞的硅材料，其空洞为纳米孔、介孔和大孔，纳米硅原子簇为骨架的“量子海绵”状微结构，所述下表面多孔硅9的厚度为1～25μm。

交换阳极和阴极的电极位置，使硅片的上层硅1的上表面5一侧面对阴极，即在上层硅1的上表面5上制备出另一层上表面多孔硅10，故制备出双层多孔硅。

步骤4用电化学腐蚀法在硅片的上层硅1上制备多孔硅层的具体操作：将硅片的上层硅1的上表面5一侧面对阴极，即在上层硅1的上表面5上单侧制备出一层单侧多孔硅11。

本发明的有益效果：本发明在解决了过去在SOI硅片上不能直接用电化学阳极氧化法进行腐蚀制备多孔硅的缺点，也解决了过去在硅片上不能制备结构参数可控的多孔硅的缺点。制备过程中通过掩膜板上设有的透光区域与生成多孔硅的表面形状(长方形、正方形和六边形等)和尺寸相一致，并在绝缘体上硅（SOI）的上层硅上选择性制备出了多孔硅，实现了在SOI硅片上选择性制备出可控结构参数的多孔硅层。

本发明的操作是采用在SOI硅片上两次腐蚀后进行多孔硅的制备，第一次腐蚀是将硅片的底层硅刻蚀出一个凹槽，第二次是腐蚀在凹槽处露出的绝缘层，采用电化学腐蚀法在硅片凹槽内的上层硅的上、下表面上制备单层或双层多孔硅。本发明的制备方法适用简单的传统电化学腐蚀装置，不易压碎硅片，操作简单容易实现，适用于批量生产。

采用本方法制备的多孔硅材料能为制备微电子机械系统（MEMS）的传感器器件提供了很好的基础，在MEMS压力传感器、MEMS气敏传感器、MEMS湿度传感器和MEMS温度传感器等中充分发挥多孔硅的机械性能、热性能、光学、电学等优越性能，该方法在纳米电子学技术领域有广泛的应用价值。

附图说明

图1 是本发明实施例一SOI硅片凹槽内的上层硅1的下表面4上制备下表面多孔硅9的结构示意图。

图2 是SOI硅片的A-A断面图。

图3 是在底层硅3涂上光刻胶层6的A-A断面图。

图4 是在底层硅3涂有光刻胶层6上贴上掩膜板7的A-A断面图。

图5 是贴上掩膜板7曝光后的A-A断面图。

图6 是取下掩膜板7的A-A断面图。

图7 是去除光刻胶层6上的曝光区域8的A-A断面图。

图8 是腐蚀掉曝光区域下的底层硅的A-A断面图。

图9 是去除底层硅上剩余的光刻胶的A-A断面图。

图10 是刻蚀掉凹槽处露出的绝缘层的A-A断面图。

图11 是在上层硅1的下表面4上制备出的下表面多孔硅9的A-A断面图。

图12 是制备下表面多孔硅9的SOI硅片与玻璃真空键合实例应用的示意图。

图13 是在上层硅1的上表面5上制备出的上表面多孔硅10的A-A断面图。

图14 是在上层硅1的上表面5上单侧制备出的单侧多孔硅11的A-A断面图。

图中序号：上层硅1、绝缘材料层（二氧化硅或氮化硅（SiO₂/Si₃N₄）层）2、底层硅3、下表面4、上表面5、光刻胶层6、掩膜板7、曝光区域8、下表面多孔硅9、上表面多孔硅10、单侧多孔硅11、玻璃片12。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图，对本发明进行详细说明。

实施例一：

基于绝缘体上硅（SOI）选择性制备多孔硅的方法，是采用在SOI硅片上两次腐蚀后进行多孔硅的制备，第一次腐蚀是将硅片的底层硅3刻蚀出一个凹槽，第二次是腐蚀在凹槽处露出的绝缘材料层2，采用电化学腐蚀法在硅片凹槽内的上层硅1的下表面4上制备下表面多孔硅9。如图1所示的SOI硅片凹槽内的层硅1的下表面4上制备下表面多孔硅9的结构示意图。基于绝缘体上硅选择性制备多孔硅的具体操作步骤如下：

（1）备片：SOI硅片由上层硅1、绝缘材料层2和底层硅3形成的三层结构的整体硅片，所述上层硅1的材料和底层硅3的材料均为硅，所述绝缘材料层2材料为二氧化硅。用99.5%分析纯的丙酮溶液对硅片进行超声清洗5min，去除表面的油脂污染物，用去离子水冲洗干净；然后用无水乙醇进行超声清洗5min，去除表面的有机残留物，用去离子水冲洗干净；将硅片在氮气保护下、温度150℃的热板上脱水烘焙1min，见图2；

（2）湿法刻蚀底层硅：

1）采用KW-4A型匀胶机在硅片的底层硅3上旋涂一层厚度1μm的光刻胶（AZ5214正胶），形成光刻胶层6，见图3，匀胶机的旋转速度为3000-5000转/min，旋涂时间为50s；在氮气保护下、温度90℃的热板上烘焙120s，为了将光刻胶中的溶剂蒸发掉，增加附着性，释放光刻胶中的残余内应力；

2）在光刻胶层6上贴上掩膜板7，见图4，所述掩膜板7上设有透光区域，所述透光区域与生成多孔硅的表面形状和尺寸相一致；在BG-401A型光刻机下曝光，曝光时间为30s，见图5，取下掩膜板7，见图6，对已曝光的硅片在氮气保护下、温度110℃的热板上烘焙60s，使曝光区域8的光刻胶更容易溶解于显影液；

3）采用四甲基氢氧化铵正胶显影液对曝光后的硅片进行显影，消除曝光区域8的光刻胶，见图7；显影后的硅片在氮气保护下、温度120℃的热板上烘焙120s，将残余的显影液蒸干，使光刻胶中的聚合物结构更紧密，增加与晶圆表面的附着力，提高光刻胶层6在刻蚀中保护硅表面的能力；

4）采用浓度5%的氢氧化钾溶液对曝光区域8的底层硅3刻蚀，刻蚀到绝缘材料层2的表面时停止；由于未曝光的光刻胶区域的硅受到保护不被腐蚀，曝光区域8没有受到光刻胶保护而被腐蚀，从而形成一凹槽，见图8；

5）使用99.5%分析纯的丙酮溶液去除硅片的底层硅3表面上剩余的光刻胶，见图9。

（3）采用设备LAM490干法刻蚀硅片凹槽处露出的绝缘层，见图10；

绝缘材料层2材料为二氧化硅（SiO₂），利用体积流量比为50:3的三氟甲烷和氧气（CHF₃:O₂）的混合气体对与曝光区域8对应凹槽处露出的绝缘材料层2进行垂直刻蚀，其刻蚀速率为30-50nm/min，刻蚀到与凹槽处相对应的上层硅1的下表面4时停止，是由于三氟甲烷：氧气(CHF₃:O₂)的混合气体对二氧化硅和硅的选择刻蚀比为13:1，混合气刻蚀二氧化硅的速率比刻蚀硅的速率快很多，即刻蚀到硅层时基本停止反应。

（4）用电化学腐蚀法在硅片凹槽内的上层硅1的下表面4上制备多孔硅层：在制备过程中由于绝缘材料层2阻止了上层硅1和底层硅3间的电子和空穴移动，只有刻蚀掉绝缘材料层2形成的凹槽对应的上层硅1上有电子和空穴移动，才有电流的导通，从而刻蚀出多孔硅；刻蚀凹槽的形状和尺寸与掩膜板7上设有的透光区域(长方形、正方形和六边形等)相一致，即生成多孔硅的表面形状和尺寸与掩膜板7上设有的透光区域相一致；所述电化学腐蚀法中阳极材料和阴极材料均为石墨，腐蚀液为溶度40%的氢氟酸溶液和无水乙醇的混合液，所述混合液的体积比为2：1～1：2；将硅片的上层硅1的凹槽一侧面对阴极，即在凹槽内的上层硅1的下表面4上制备出一层下表面多孔硅9，见图11。

具有下表面多孔硅9的SOI硅片适用于多种微型传感器器件，如气敏传感器、压力传感器和湿敏传感器等；用于气敏传感器时，将具有下表面多孔硅9的SOI硅片键合在玻璃片12或衬底硅片上，见图12，下表面多孔硅9能吸收微量气体，在一个密闭的空间内能提高真空度，下表面多孔硅9在硅片的上层硅1的凹槽一侧，这种硅片适用于真空键合时提高键合腔内的真空度。用于压力传感器时，对上层硅1的上表面5施加压力，下表面多孔硅9中存在空洞，产生形变，用于压力检测，施力后上层硅1形变量要小，撤销力后恢复要快，更适用于施力频率稍快一点的压力传感器。

实施例二：

基于绝缘体上硅选择性制备多孔硅的方法，是采用在SOI硅片上两次腐蚀后进行多孔硅的制备，第一次腐蚀是将硅片的底层硅3刻蚀出一个凹槽，第二次是腐蚀在凹槽处露出的绝缘材料层2，采用电化学腐蚀法在硅片凹槽内的上层硅1的下表面4上制备下表面多孔硅9，接着在硅片上层硅1的上表面5上制备出另一层上表面多孔硅10。具体操作步骤中步骤（1）～步骤（4）同实施例一；

步骤（5）交换阳极和阴极的电极位置，使硅片的上层硅1的上表面5一侧面对阴极，即在上层硅1的上表面5上制备出另一层上表面多孔硅10，由图13可见，下表面多孔硅9和上表面多孔硅10形成双层多孔硅。

具有双层多孔硅的SOI硅片，可适用于多种微型传感器器件，如气敏传感器、压力传感器和湿敏传感器等；用于压力传感器时，对上层硅1的上表面5施加压力，上表面多孔硅10中存在空洞，产生形变，用于压力检测，施力后上层硅1形变量要大，撤销力后恢复要慢，故更适用于微压力传感器。

实施例三：

基于绝缘体上硅选择性制备多孔硅的方法，是采用在SOI硅片上两次腐蚀后进行多孔硅的制备，第一次腐蚀是将硅片的底层硅3刻蚀出一个凹槽，第二次是腐蚀在凹槽处露出的绝缘材料层2，采用电化学腐蚀法在硅片上层硅1的上表面5上制备出一层单侧多孔硅11。具体操作步骤中步骤（1）～步骤（3）同实施例一；

步骤（4）用电化学腐蚀法在硅片上层硅1的上表面5上制备多孔硅层：在制备过程中由于绝缘材料层2阻止了上层硅1和底层硅3间的电子和空穴移动，只有刻蚀掉绝缘材料层2形成的凹槽对应的上层硅上有电子和空穴移动，才有电流的导通，从而刻蚀出多孔硅；刻蚀凹槽的形状和尺寸与掩膜板7上设有的透光区域(长方形、正方形和六边形等)相一致，即生成多孔硅的表面形状和尺寸与掩膜板7上设有的透光区域相一致；所述电化学腐蚀法中阳极材料和阴极材料均为石墨，腐蚀液为溶度40%的氢氟酸溶液和无水乙醇的混合液，所述混合液的体积比为2：1～1：2；将硅片的上层硅1的上表面5一侧面对阴极，即在上层硅1的上表面5上单侧制备出一层单侧多孔硅11，见图14。

具有单侧多孔硅11的SOI硅片适用于多种微型传感器器件，如气敏传感器、压力传感器和湿敏传感器等。用于气敏传感器时，单侧多孔硅11能吸收微量气体，在一个密闭的空间内能提高真空度，单侧多孔硅11在硅片的上层硅1的上表面5一侧，这种硅片适用于真空封装时提高器件的真空度；用于压力传感器时，对上层硅1的上表面5施加压力，单侧多孔硅11中存在空洞，产生形变，用于压力检测，施力后上层硅1形变量要小，撤销力后恢复要快，更适用于施力频率稍快一点的压力传感器。

实施例四：

基于绝缘体上硅选择性制备多孔硅的具体操作步骤中步骤（1）、（2）和步骤（4）同实施例一；

步骤（3）当绝缘材料层2材料为氮化硅（Si₃N₄）时，利用体积流量比为10:1的四氟化硫和氧气（SF₆:O₂）的混合气体对与曝光区域8对应凹槽处露出的绝缘材料层2进行垂直刻蚀，刻蚀到与凹槽处相对应的上层硅1的下表面4时停止，是由于四氟化硫：氧气(SF₆:O₂)的混合气体刻蚀氮化硅的速率比刻蚀硅的速率快很多，即刻蚀到硅层时基本停止反应。

Claims

1.基于绝缘体上硅选择性制备多孔硅的方法，其特征在于具体操作步骤如下：

（1）备片：绝缘体上硅的硅片由上层硅（1）、绝缘材料层（2）和底层硅（3）形成的三层结构的整体硅片，所述上层硅（1）的材料和底层硅（3）的材料均为硅，所述绝缘材料层（2）材料为二氧化硅或氮化硅；用99.5%分析纯的丙酮溶液对硅片进行超声清洗5min，去除表面的油脂污染物，用去离子水冲洗干净；然后用无水乙醇进行超声清洗5min，去除表面的有机残留物，用去离子水冲洗干净；将硅片在氮气保护下、温度150℃的热板上脱水烘焙1min；

（2）湿法刻蚀底层硅：

1）采用匀胶机在硅片的底层硅（3）上旋涂一层厚度1μm的光刻胶，形成光刻胶层（6），匀胶机的旋转速度为3000-5000转/min，旋涂时间为50s；在氮气保护下、温度90℃的热板上烘焙120s；

2）在光刻胶层（6）上贴上掩膜板（7），所述掩膜板（7）上设有透光区域，所述透光区域与生成多孔硅的表面形状和尺寸相一致；在光刻机下曝光，曝光时间为30s，取下掩膜板（7），对已曝光的硅片在氮气保护下、温度110℃的热板上烘焙60s；

4）采用浓度5%的氢氧化钾溶液对曝光区域（8）的底层硅（3）刻蚀，刻蚀到绝缘材料层（2）的表面时停止；由于未曝光的光刻胶区域的硅受到保护不被腐蚀，曝光区域（8）没有受到光刻胶保护而被腐蚀，从而形成一凹槽；

5）使用99.5%分析纯的丙酮溶液去除硅片的底层硅（3）表面上剩余的光刻胶；

（3）干法刻蚀凹槽处露出的绝缘层：

1）当绝缘材料层（2）材料为二氧化硅时，利用体积流量比为50:3的三氟甲烷和氧气（CHF₃:O₂）的混合气体对与曝光区域（8）对应凹槽处露出的绝缘材料层（2）进行垂直刻蚀，其刻蚀速率为30-50nm/min，刻蚀到与凹槽处相对应的上层硅（1）的下表面（4）时停止；

2）当绝缘材料层（2）材料为氮化硅时，利用体积流量比为10:1的四氟化硫和氧气（SF₆:O₂）的混合气体对与曝光区域（8）对应凹槽处露出的绝缘材料层（2）进行垂直刻蚀，刻蚀到与凹槽处相对应的上层硅（1）的下表面（4）时停止；

（4）用电化学腐蚀法在硅片的上层硅（1）上制备多孔硅层：所述电化学腐蚀法中阳极材料和阴极材料均为石墨，腐蚀液为溶度40%的氢氟酸溶液和无水乙醇的混合液，所述混合液的体积比为2：1～1：2；将硅片的上层硅（1）的凹槽一侧面对阴极，即在凹槽内的上层硅（1）的下表面（4）上制备出一层下表面多孔硅（9）；所述下表面多孔硅（9）是体内有大量空洞的硅材料，其空洞为纳米孔、介孔和大孔，纳米硅原子簇为骨架的“量子海绵”状微结构，所述下表面多孔硅（9）的厚度为1～25μm。

2.根据权利要求1所述的基于绝缘体上硅选择性制备多孔硅的方法，其特征在于：交换阳极和阴极的电极位置，使硅片的上层硅（1）的上表面（5）一侧面对阴极，即在上层硅（1）的上表面（5）上制备出另一层上表面多孔硅（10），故制备出双层多孔硅。

3.根据权利要求1所述的基于绝缘体上硅选择性制备多孔硅的方法，其特征在于：步骤（4）用电化学腐蚀法在硅片的上层硅（1）上制备多孔硅层的具体操作：将硅片的上层硅（1）的上表面（5）一侧面对阴极，即在上层硅（1）的上表面（5）上单侧制备出一层单侧多孔硅（11）。