CN105460887A - 图形化多孔硅的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体制造技术领域，尤其公开了一种图形化多孔硅的制备方法，包括：在硅片的表面形成若干金属掩膜；刻蚀具有金属掩膜的硅片，以使硅片的暴露区与所述金属掩膜共销蚀，在硅片的暴露区形成若干孔，得到图形化多孔硅。本发明通过在硅片上制备金属掩膜，再对所述金属掩膜与硅片进行共销蚀，制备得到图形化多孔硅。所述制备方法可根据MEMS器件的制备需求，调节图形化多孔硅的孔深及图形尺寸；同时，金属掩膜与硅片的共销蚀也避免了后续金属掩膜的去除工艺，节省工艺流程，节约工艺成本。

Description

图形化多孔硅的制备方法

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，具体地讲，涉及一种图形化多孔硅的制备方法。

背景技术

多孔硅材料具有良好的绝热性、发光特性、高比表面积、高电阻率、高机械强度以及与微机电(简称MEMS)加工工艺兼容等优点，其在气体传感器、温湿度传感器、光致电致发光器等诸多领域均有应用。

多孔硅的制备工艺不仅与硅基MEMS器件的制备工艺以及IC加工工艺有良好的兼容性；而且，与目前常用的悬臂梁、悬膜结构相比，其在具有相当的功耗接近及隔热效果的同时，还具有更好的机械强度；与此同时，其还可以根据MEMS器件的需求采用不同的制备方法制备所需的多孔硅，以提高MEMS器件的性能。然而，针对不同的MEMS器件，多孔硅往往不是覆盖整个MEMS器件，而是分布在特定区域内以发挥其作用。因此，多孔硅的图形化制备便成为决定多孔硅材料能否在MEMS器件中应用的关键。

MEMS器件在制备中所使用的多孔硅主要是采用溶液腐蚀法获得，因此，如何在刻蚀液中刻蚀图形区域，并且有效地保护非刻蚀区域便成为选择掩膜所需解决的关键问题。离子注入可以实现多孔硅的图形化，但该方法仅能制备薄层多孔硅，并且受限于衬底类型，不利于与MEMS技术兼容。诱导方法也可制备图形化的多孔硅材料，其省去了制备掩膜的步骤，一定程度上简化了制备工艺，但该方法制备的图形化的多孔硅形状简单、图形区域较大且形状不容易控制，无法满足MEMS器件小型化、多样化制备的需求。

目前在MEMS器件的制备中，较为有效的图形化方法是图形化淀积氮化硅或多晶硅作为掩膜；但是，氮化硅、多晶硅等掩膜不易被去除，且不同工艺生长的氮化硅对刻蚀液的阻挡效果不同，无法实现标准化制备，制约MEMS器件的制备。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种图形化多孔硅的制备方法，该制备方法通过制备金属掩膜，并将金属掩膜与硅片进行共销蚀，制备得到图形化多孔硅。所述制备方法可根据MEMS器件的制备需求，调节图形化多孔硅的孔深及图形尺寸。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种图形化多孔硅的制备方法，包括：在硅片的表面形成若干金属掩膜；刻蚀具有所述金属掩膜的硅片，以使所述硅片的暴露区与所述金属掩膜共销蚀，在所述硅片的暴露区形成若干孔，得到所述图形化多孔硅。

进一步地，在所述硅片的表面形成所述若干金属掩膜的具体方法包括：图形化所述硅片，在所述硅片的表面形成若干介质掩膜；在所述硅片的具有介质掩膜的一侧沉积金属层；剥离所述介质掩膜及位于其表面的金属层，以使所述硅片表面的金属层形成所述金属掩膜；或在所述硅片的表面沉积金属层；在所述硅片具有所述金属层的一侧形成若干介质掩膜；刻蚀所述具有介质掩膜的硅片，以使所述金属层的未被所述介质掩膜覆盖的暴露区销蚀，形成所述金属掩膜。

进一步地，所述介质掩膜为光刻胶掩膜。

进一步地，所述金属掩膜在刻蚀液中的刻蚀速率低于所述硅片在所述刻蚀液中的刻蚀速率。

进一步地，所述金属掩膜的刻蚀速率为2nm/min～8nm/min；所述硅片的刻蚀速率为1μm/min～4μm/min。

进一步地，所述金属掩膜的厚度通过其与所述硅片在所述刻蚀液中的刻蚀速率之比以及所述图形化多孔硅的孔深来确定，以达到所述硅片的暴露区与所述金属掩膜的共销蚀。

进一步地，所述金属掩膜选自由金属Ni、Cu、Au、Pt、Cr中的任意一种形成的单一金属层或依次叠层设置的若干所述单一金属层，或选自由至少两种所述金属形成的合金中的任意一种。

进一步地，在刻蚀具有所述金属掩膜的硅片时，刻蚀方法选自双槽电解法、原电池法或化学腐蚀法中的任意一种。

进一步地，在刻蚀具有所述金属掩膜的硅片时，刻蚀液为含有氢氟酸与有机试剂的混合溶液。

进一步地，所述硅片为<100>晶向的单晶硅，所述硅片的厚度为150μm～500μm，所述硅片为中度掺杂或重度掺杂；其中，所述中度掺杂指经过掺杂的所述硅片的电阻率为0.1Ω·m～100Ω·m，所述重度掺杂指经过掺杂的所述硅片的电阻率小于0.1Ω·m。

进一步地，在剥离所述介质掩膜及位于其表面的金属层时，剥离液选自丙酮、N-甲基吡咯烷酮中的任意一种。

本发明的有益效果：本发明通过在硅片上制备金属掩膜，再对所述金属掩膜与硅片的暴露区进行共销蚀，在硅片的暴露区形成了若干孔，制备得到图形化多孔硅。所述制备方法可根据MEMS器件的制备需求，调节图形化多孔硅的孔深及图形尺寸；同时，金属掩膜与硅片的暴露区的共销蚀也避免了后续金属掩膜的去除工艺，减少工艺步骤，节约工艺成本。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例的图形化多孔硅的制备方法的步骤流程图；

图2是根据本发明的实施例的具有介质掩膜的硅片的结构示意图；

图3是根据本发明的实施例的具有金属层的硅片的结构示意图；

图4是根据本发明的实施例的具有金属掩膜的硅片的结构示意图；

图5是根据本发明的实施例的硅片在刻蚀过程中的结构示意图；

图6是根据本发明的实施例的图形化多孔硅的结构示意图；

图7是图6中A区域的局部结构示意图；

图8是图6的俯视图；

图9是根据本发明的实施例的图形化多孔硅的剖面SEM图；

图10是根据本发明的实施例的图形化多孔硅的俯视SEM图；

图11是图10中B区域的局部俯视SEM图；

图12是图10中C区域的局部俯视SEM图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。

图1是根据本发明的实施例的图形化多孔硅的制备方法的步骤流程图。

参照图1，根据本发明的实施例的图形化多孔硅的制备方法包括如下步骤：

在步骤110中，图形化硅片1，在硅片1的表面形成若干介质掩膜11。在本实施例中，所述介质掩膜11为光刻胶掩膜，且介质掩膜11阵列排布覆盖在硅片1的表面。

所述硅片1为<100>晶向的单晶硅，其厚度D为150μm～500μm；在本实施例中，该硅片1的厚度D为150μm左右，且其电阻率小于0.1Ω·m，属于重度掺杂。但本发明并不限制于此，该硅片还可以是电阻率为0.1Ω·m～100Ω·m的中度掺杂。

当然，在对所述硅片1进行图形化之前，还需对其表面进行清洁处理。

步骤110的具体方法如下：(1)使用体积比为3:1的浓H₂SO₄和H₂O₂的混合溶液去除硅片1表面的其他有机、无机杂质；(2)在恒温箱中于110℃下烘干所述硅片1，并用六甲基二硅胺(简称HMDS)处理硅片1；其中，HMDS作为一种粘附剂，可增加硅片1和后续光刻过程中光刻胶之间的粘附性；(3)利用光刻标准工艺曝光、显影，对经过前处理的硅片1进行光刻，在硅片1表面上形成若干阵列排布的介质掩膜11，从而实现了硅片1的图形化。具有介质掩膜11的硅片1的结构示意图如图2所示。

在步骤120中，在硅片1的具有介质掩膜11的一侧沉积金属层2a。也就是说，在硅片1的未被介质掩膜11覆盖处(即介质掩膜11阵列之间的狭缝处)及介质掩膜11的表面上均形成金属层2a。具有金属层2a的硅片1的结构示意图如图3所示。

具体地，在本实施例中，通过磁控溅射技术向硅片1的具有介质掩膜11的一侧沉积40nm厚的金属Cr作为金属层2a。当然，用于在介质掩膜11上沉积金属层2a的方法不限于本实施例中的磁控溅射技术，还可以是其他如电子束蒸发、电镀等方法。

在步骤130中，剥离介质掩膜11及位于其表面的金属层2a，硅片1表面的金属层2a形成金属掩膜2。具有金属掩膜2的硅片1的结构示意图如图4所示。

在本实施例中，采用丙酮作为剥离液，将具有金属层2a的硅片1浸入剥离液中，并采用超声处理，对介质掩膜11及位于其上的金属层2a从硅片1上进行剥离；剥离液也可选用其他如N-甲基吡咯烷酮等有机溶液。

当然，考虑到后续金属掩膜2要在刻蚀液中与硅片1的暴露区进行共销蚀，因此，金属掩膜2的材料应当能溶于刻蚀液。因此，能够作为金属掩膜2的材料并不限于本实施例中的由金属Cr形成的单一金属层，还可以是由金属Ni、Cu、Au、Pt中的任意一种形成的单一金属层，或是Ni金属层-Cr金属层等由若干上述单一金属层叠层设置形成的叠层金属层，或是Ni-Au、Ni-Cr等由上述至少两种金属形成的合金中的任意一种。

值得说明的是，因金属掩膜2由步骤120中的覆盖在硅片1表面的金属层2a转变而来，因此，在步骤120中，金属层2a的厚度根据其材料与硅片1在刻蚀液中的刻蚀速率之比，以及预制备的图形化多孔硅的孔深d来决定。例如在本实施例中，金属Cr在刻蚀液中的刻蚀速率约为4nm/min，其远远低于硅片1在其中1μm/min左右的刻蚀速率，现预制备孔深d为10μm左右的图形化多孔硅，那么根据硅片1的刻蚀速率，刻蚀10min即可满足要求，同时根据金属层2a与硅片1在刻蚀液中的刻蚀速率之比，即算得金属层2a的厚度应当控制在40nm左右，以使金属掩膜2与硅片1的暴露区达到共销蚀的目的。

值得注意的是，一般地，所述金属掩膜2在刻蚀液中的刻蚀速率应当小于硅片1在刻蚀液中的刻蚀速率；主要原因有两点：其一是若金属掩膜2在刻蚀液中的刻蚀速率与硅片1在其中的刻蚀速率相当或更大，那么为了达到共销蚀的目的，金属层2a的沉积厚度将大大增加，而金属层2a的沉积厚度每增加10nm，工艺成本将会增加几十元，较大刻蚀速率的金属掩膜2将会大幅增加工艺成本；其二是金属层2a在沉积生长的过程中，会产生一定的应力，当金属层2a的沉积厚度过大时，其产生的应力相应大幅增大，较大的应力将会导致金属层2a出现断裂，继而无法对位于金属掩膜2下方的硅片1的掩膜区进行有效的阻挡。

因此，本发明中的金属掩膜2以及硅片1的刻蚀速率并不限于本实施例中的4nm/min和1μm/min，通过控制刻蚀过程所需电流大小及刻蚀液的浓度，可对上述刻蚀速率进行调控，一般地，金属掩膜2的刻蚀速率在2nm/min～8nm/min的范围，硅片1的刻蚀速率在1μm/min～4μm/min的范围；当然，金属掩膜2的刻蚀速率也会因其材料不同而不同。

在步骤140中，刻蚀具有金属掩膜2的硅片1，硅片1的暴露区与金属掩膜2共销蚀，在硅片1的暴露区形成若干孔12，得到图形化多孔硅。硅片1在刻蚀过程中及刻蚀结束后(即制备得到的图形化多孔硅)的结构示意图分别如图5和图6所示，对比图5和图6可以看出，随着刻蚀的进行，孔12逐渐加深，同时，金属掩膜2逐渐减薄直至消失；图6中A区域的局部放大图如图7所示；图6的俯视图如图8所示。

具体地，本实施例中采用双槽电解法对具有金属掩膜2的硅片1进行刻蚀，在刻蚀过程中，所使用的刻蚀液为体积比为1:3的HF溶液与乙醇的混合溶液。在刻蚀过程中，将两个槽各自处于密封状态。刻蚀时间严格控制为10min，以免造成过刻。经10min的刻蚀，金属掩膜2与硅片1的暴露区达到共销蚀，硅片1自身的性质及所述刻蚀方法的选择，决定了在暴露区的硅片1并未完全销蚀，而是形成了若干孔12，从而得到了图形化多孔硅，同时金属掩膜2也进行了剥离去除，避免了后续对金属掩膜2的去除工艺。

在对硅片1进行刻蚀的过程中，刻蚀方法并不限于本实施例中的双槽电解法，还可以是其他如原电池法或化学腐蚀法等刻蚀方法；同时，刻蚀液也并不限于氢氟酸溶液和乙醇的混合溶液，还可以是氢氟酸溶液和其他如二甲基甲酰胺(简称DMF)等有机试剂的混合溶液，或是氢氟酸溶液与乙醇、二甲基甲酰胺等有机试剂以及去离子水、硝酸、双氧水等的混合溶液；在此，有机试剂在刻蚀液中的作用主要在于平滑硅片1的表面，降低其粗糙度。

对本实施例制备得到的图形化多孔硅的剖面和俯视进行了SEM测定，同时对硅片1的暴露区及掩膜区的俯视进行了SEM测定，其SEM图分别如图9-12所示。在图9中，经测定可以得出图形化多孔硅的孔12的深度为11.32μm，这也映证了所选用的硅片1的刻蚀速率为1.1μm/min左右；硅片1的掩膜区的表面不具有金属掩膜2，也说明了以金属Cr为材料的金属掩膜2的刻蚀速率为4nm/min，且金属掩膜2与硅片1的暴露区实现了共销蚀；在图10中，可以看出被金属掩膜2覆盖过的硅片1的掩膜区与硅片1的暴露区具有明显的界限，在界限左上角部分为未被金属掩膜2覆盖的硅片1的暴露区，对应右下角部分为被金属掩膜2覆盖过的硅片的掩膜区。在图11中，暗色黑点表示在硅片1的暴露区形成的若干孔12，从图11可以看出，在硅片1的暴露区形成了若干致密排布的孔12；从图12可以看出，硅片1的掩膜区表面光滑，没有形成孔12，说明金属掩膜2对该区域阻挡效果好，没有出现刻蚀情况。

值得说明的是，在本实施例中，经过刻蚀形成的图形化多孔硅的孔12的深度d为10μm左右，远远小于硅片1的150μm的厚度D；但本发明并不限制于此，本实施例的制备方法可以根据MEMS器件的制备需求，调节图形化多孔硅的孔12的深度d及图形尺寸；也就是说，孔的深度d可以是不超过硅片1的厚度D的任意深度。

当然，在根据本发明的图形化多孔硅的制备方法中，在硅片1表面形成若干金属掩膜2的方法并不限于上述实施例中的步骤110-步骤130中所述，还可以其他任意的制备方法，只需达到在硅片1表面形成若干金属掩膜2即可。比如，参照如下步骤：步骤一，在硅片1的表面沉积金属层2a；步骤二，在硅片1具有所述金属层2a的一侧形成若干介质掩膜11；步骤三，刻蚀所述具有介质掩膜11的硅片1，以使所述金属层2a的未被所述介质掩膜11覆盖的暴露区销蚀，形成所述金属掩膜2。具体地，在步骤二中，所述介质掩膜11可以是如光刻胶掩膜等可起到图形化作用的掩膜。

其余参照上述实施例中所述，即可制备得到图形化多孔硅。

值得说明的是，当采用该方法在硅片1表面形成若干金属掩膜2时，因金属掩膜2上方还覆盖有介质掩膜11，因此，在刻蚀具有金属掩膜2的硅片1之前，可先利用剥离液将覆盖在金属掩膜2上的介质掩膜11先行剥离，此处剥离液可以是丙酮、N-甲基吡咯烷酮等有机溶液；当然，当刻蚀具有金属掩膜2的硅片1时，因覆盖在金属掩膜2上方的介质掩膜11可快速被刻蚀掉，几乎对刻蚀时间不造成影响，因此，在刻蚀具有金属掩膜2的硅片1之前，也可对介质掩膜11不进行先行的剥离。

根据本发明的实施例的图形化多孔硅的制备方法通过在硅片1表面制备金属掩膜2，然后将硅片1与金属掩膜2进行共销蚀，在硅片1的暴露区即形成了若干孔，从而得到了图形化多孔硅；金属掩膜2对硅片1的掩膜区实现了良好的阻挡作用，且金属掩膜2不存在对硅片1的阻挡作用不均衡的情况，位于金属掩膜2之下的硅片1的掩膜区在刻蚀过程中没有被刻蚀；同时，金属掩膜2在对硅片1的刻蚀过程中即实现了共销蚀，避免了后续金属掩膜2的去除的工艺，也减少了工艺步骤，节省了工艺成本。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (11)

1.一种图形化多孔硅的制备方法，其特征在于，包括：

在硅片的表面形成若干金属掩膜；

刻蚀具有所述金属掩膜的硅片，以使所述硅片的暴露区与所述金属掩膜共销蚀，在所述硅片的暴露区形成若干孔，得到所述图形化多孔硅。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述硅片的表面形成所述若干金属掩膜的具体方法包括：

图形化所述硅片，在所述硅片的表面形成若干介质掩膜；在所述硅片的具有介质掩膜的一侧沉积金属层；剥离所述介质掩膜及位于其表面的金属层，以使所述硅片表面的金属层形成所述金属掩膜；

或在所述硅片的表面沉积金属层；在所述硅片具有所述金属层的一侧形成若干介质掩膜；刻蚀所述具有介质掩膜的硅片，以使所述金属层的未被所述介质掩膜覆盖的暴露区销蚀，形成所述金属掩膜。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述介质掩膜为光刻胶掩膜。

4.根据权利要求1-3任一所述的制备方法，其特征在于，所述金属掩膜在刻蚀液中的刻蚀速率低于所述硅片在所述刻蚀液中的刻蚀速率。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述金属掩膜的刻蚀速率为2nm/min～8nm/min；所述硅片的刻蚀速率为1μm/min～4μm/min。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述金属掩膜的厚度通过其与所述硅片在所述刻蚀液中的刻蚀速率之比以及所述图形化多孔硅的孔深来确定，以达到所述硅片的暴露区与所述金属掩膜的共销蚀。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述金属掩膜选自由金属Ni、Cu、Au、Pt、Cr中的任意一种形成的单一金属层或依次叠层设置的若干所述单一金属层，或选自由至少两种所述金属形成的合金中的任意一种。

8.根据权利要求1-3任一所述的制备方法，其特征在于，在刻蚀具有所述金属掩膜的硅片时，刻蚀方法选自双槽电解法、原电池法或化学腐蚀法中的任意一种。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在刻蚀具有所述金属掩膜的硅片时，刻蚀液为含有氢氟酸与有机试剂的混合溶液。

10.根据权利要求1-3任一所述的制备方法，其特征在于，所述硅片为<100>晶向的单晶硅，所述硅片的厚度为150μm～500μm，所述硅片为中度掺杂或重度掺杂；其中，所述中度掺杂指经过掺杂的所述硅片的电阻率为0.1Ω·m～100Ω·m，所述重度掺杂指经过掺杂的所述硅片的电阻率小于0.1Ω·m。

11.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，在剥离所述介质掩膜及位于其表面的金属层时，剥离液选自丙酮、N-甲基吡咯烷酮中的任意一种。