CN105023842B - 一种加固碳化光刻胶与Si基底结合的凹槽刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及加固碳化光刻胶和硅基底结合的方法，具体为一种可加固碳化光刻胶与Si基底结合的凹槽刻蚀方法，包括如下步骤：首先准备清洗干净并且烘干的硅基底，接着在该基底上制备氮化硅薄膜，再在薄膜上旋涂一层光刻胶，然后对此光刻胶进行前烘、曝光、显影处理，形成规定尺寸的孔径，将此结构中的氮化硅薄膜进行湿法腐蚀，最后对硅进行湿法腐蚀，再对硅片使用湿法腐蚀，在硅片上得到基底凹槽；在以上形成的凹槽内填充光刻胶，得到组合凹槽结构。本发明从设计硅基底结构出发，通过制备特殊组合凹槽结构，有效改善了光刻胶与基底结合性差和高温碳化时会发生收缩现象而与基底易脱落的现象。

Description

一种加固碳化光刻胶与Si基底结合的凹槽刻蚀方法
技术领域
本发明涉及加固碳化光刻胶与硅基底结合的方法，具体为一种可加固碳化光刻胶与Si基底结合的凹槽刻蚀方法。
背景技术
近年来微机电加工技术随着MEMS器件的广泛应用而快速发展，同时，在硅片基底上加工各种基于光刻胶的微结构工艺得到广泛关注。利用LIGA技术可以将光刻胶制造成复杂三维微结构器件，获得的微结构具有较大的深宽比和精细的结构，侧壁陡峭，表面平整。在此基础上，通过对光刻胶碳化可以制备出高比表面积的三维微电极结构，可用于制备芯片级微型超级电容器，解决当前微型超级电容器难以在微机电系统中集成的问题。然而，光刻胶碳化后与基底的结合性差、容易脱落，并且光刻胶在高温碳化过程中极易收缩，收缩率在30% 至50% 之间，二者都会导致光刻胶与基底结合失败，这些缺点制约了光刻胶在制备芯片级微型超级电容器中的使用。因此，解决光刻胶碳化后与硅基底粘附性差易脱落问题，是通过碳化高深宽比光刻胶制备三维微电极实现芯片级微型超级电容器的关键所在。
发明内容
本发明为了解决碳化光刻胶电极材料与硅基底结合性不强的问题，提出了一种加固碳化光刻胶与Si基底结合的凹槽刻蚀方法。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种可加固碳化光刻胶与Si基底结合的凹槽刻蚀方法，包括以下步骤：
(1) 选取硅片作为基底，硅片依次在二甲苯、丙酮、酒精、硫酸/双氧水、氨水/双氧水和盐酸/双氧水溶液中清洗以去除有机油、无机油，去除氧化膜和金属离子；
(2)将清洗好的硅片烘干，然后采用LPCVD技术在硅片表面形成氮化硅薄膜；
（3）在步骤（2）中覆盖有氮化硅薄膜的硅片上采用旋转甩胶法均匀旋涂一层光刻胶；
（4）将步骤（3）中涂有光刻胶的硅片进行前烘，然后利用光学模版曝光，且曝光结束后，对硅片上的光刻胶进行后烘，最后显影，在光刻胶层上得到露出氮化硅薄膜的光刻胶凹槽；
（5）对步骤（4）中光刻胶层上光刻胶凹槽内露出的氮化硅薄膜进行湿法腐蚀，在氮化硅薄膜得到露出硅片的氮化硅凹槽；
（6）对步骤（5）中形成的氮化硅凹槽内硅片使用氢氟酸、硝酸和醋酸的混合溶液湿法腐蚀，在硅片上得到横截面为半圆形的基底凹槽，且氮化硅凹槽的槽口宽度的一半与基底凹槽半径之比小于0.5；
（7）在上述步骤中形成的光刻胶凹槽、氮化硅凹槽和基底凹槽内填充光刻胶，得到有效加固光刻胶与Si基底结合的组合凹槽。
由于光刻胶在高温条件下极易收缩，收缩率区间为30%至50%，为防止光刻胶从硅片凹槽中脱落，所以氮化硅凹槽的槽口宽度的一半与基底凹槽半径之比必须小于0.5，即使光刻胶在收缩后，氮化硅凹槽能将基底凹槽内的光刻胶挡在基底凹槽内，硅片上的光刻胶就不会脱落。本方法通过氮化硅掩膜技术，利用HF/HNO3溶液对硅和氮化硅的腐蚀速率差，在硅基底上刻蚀“口窄内宽”的凹槽结构，达到固定碳化光刻胶的目的。
本发明提出了一种可加固碳化光刻胶与Si基底结合的凹槽刻蚀方法。本方法一方面利用了氮化硅做掩模具有抗腐蚀性的优势，另一方面利用其质硬可以与硅基底上半圆形凹槽组成特殊组合凹槽结构，来阻止光刻胶因为结合性和收缩的负效应从基底上脱落的现象。
附图说明
图1为表面形成氮化硅薄膜的硅片基底的结构示意图。
图2为旋涂有SU-8胶的硅片基底的结构示意图。
图3为其上形成光刻胶凹槽的硅片基底的结构示意图。
图4为其上形成氮化硅凹槽的硅片基底的结构示意图。
图5为其上形成基底凹槽的硅片基底的结构示意图。
图6为其上得到组合凹槽结构的硅片基底的结构示意图。
具体实施方式
一种可加固碳化光刻胶与Si基底结合的凹槽刻蚀方法，包括以下步骤：
(1) 选取2寸硅片作为基底，硅片依次在二甲苯、丙酮、酒精、硫酸/双氧水、氨水/双氧水和盐酸/双氧水溶液中清洗以去除有机油、无机油，去除氧化膜和金属离子；
(2)将清洗好的硅片烘干，然后采用粒子污染小、均匀性高的LPCVD技术在硅片表面形成100nm的氮化硅薄膜，氮化硅起到了掩模的作用；
（3）在步骤（2）中覆盖有氮化硅薄膜的硅片上采用旋转甩胶法均匀旋涂一层SU-8胶；
（4）将步骤（3）中涂有光刻胶的硅片在65℃高温下进行前烘20min，然后利用光学模版曝光，且曝光结束后，硅片上的光刻胶在50℃环境中后烘 4小时，最后显影，在SU-8胶层上得到露出氮化硅薄膜的光刻胶凹槽，如图3所示；
（5）对步骤（4）中SU-8胶层上光刻胶凹槽内露出的氮化硅薄膜在160°C下使用热磷酸溶液腐蚀液（85%浓磷酸和15%去离子水）湿法腐蚀20分钟，在氮化硅薄膜得到露出硅片的氮化硅凹槽，如图4所示；
（6）对步骤（5）中形成的氮化硅凹槽内硅片在常温下使用浓度比为27：46：27的氢氟酸（HF）、硝酸（HNO3）和醋酸（HAc）的混合溶液（HNA）湿法腐蚀1分钟，在硅片上得到横截面为半圆形的基底凹槽，氮化硅凹槽的槽口宽度的一半与基底凹槽半径之比小于0.5，如图5所示；
（7）在上述步骤中形成的光刻胶凹槽、氮化硅凹槽和基底凹槽内填充SU-8胶，得到有效加固SU-8胶与Si基底结合的组合凹槽结构，如图6所示。
SU-8胶在制备微结构的过程中，显现出与基底结合性差的缺点；另外由于光刻胶在高温条件下会发生收缩现象，收缩率的区间为30%至50%，为防止光刻胶从硅片凹槽中脱落，所以氮化硅凹槽的槽口宽度的一半与基底凹槽半径之比必须小于0.5，我们在工艺中可设置氮化硅凹槽的槽口宽度的一半为4μm，基底凹槽半径为16μm，其比值为0.25，小于0.5，因此此工艺流程具有可行性。

Claims (1)

1.一种可加固碳化光刻胶与Si基底结合的凹槽刻蚀方法，其特征在于包括以下步骤：
(1) 选取硅片作为基底，硅片依次在二甲苯、丙酮、酒精、硫酸/双氧水、氨水/双氧水和盐酸/双氧水溶液中清洗以去除有机油、无机油，去除氧化膜和金属离子；
(2)将清洗好的硅片烘干，然后采用LPCVD技术在硅片表面形成氮化硅薄膜；
（3）在步骤（2）中覆盖有氮化硅薄膜的硅片上采用旋转甩胶法均匀旋涂一层光刻胶；
（4）将步骤（3）中涂有光刻胶的硅片进行前烘，然后利用光学模版曝光，且曝光结束后，对硅片上的光刻胶进行后烘，最后显影，在光刻胶层上得到露出氮化硅薄膜的光刻胶凹槽；
（5）对步骤（4）中光刻胶层上光刻胶凹槽内露出的氮化硅薄膜进行湿法腐蚀，在氮化硅薄膜得到露出硅片的氮化硅凹槽；
（6）对步骤（5）中形成的氮化硅凹槽内硅片使用氢氟酸、硝酸和醋酸的混合溶液湿法腐蚀，在硅片上得到横截面为半圆形的基底凹槽，且经过混合溶液对氮化硅凹槽内硅片进行湿法腐蚀后的氮化硅凹槽的槽口宽度的一半与基底凹槽半径之比小于0.5；
（7）在上述步骤中形成的光刻胶凹槽、氮化硅凹槽和基底凹槽内填充光刻胶，得到有效加固光刻胶与Si基底结合的组合凹槽结构。
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