CN105668509B - 一种刻蚀微米硅通孔的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刻蚀微米硅通孔的方法，包括以下步骤：(1)取硅片，清洗后吹干；(2)在硅片双面涂覆光刻胶，烘干后进行光刻，显影；(3)在经光刻的硅片双面沉积若干层贵金属；(4)将沉积贵金属的硅片置于腐蚀液中，反应形成通孔；(5)清洗，吹干。本发明采用双面光刻，刻蚀过程也是双面进行，当两面刻蚀到一起后，形成硅通孔，刻蚀速度快，刻蚀后无需进一步处理，微观形貌良好，可大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及微纳制造领域，特别是涉及一种刻蚀微米硅通孔的方法。
背景技术
微米硅通孔具有尺寸小(微米级)、制备工艺简单、成本低廉且可大规模生产等优点，在纳米电子学、光学、热学、化学、生物传感器、生物检测等领域具有巨大的应用前景。传统的硅刻蚀方法主要分为干法刻蚀和湿法刻蚀两种。干法刻蚀主要是深反应离子刻蚀，由于其刻蚀侧壁粗糙度和刻蚀的重复循环，导致其刻蚀过程复杂且昂贵。湿法刻蚀主要是利用热碱溶液来刻蚀，刻蚀过程存在各向异性，因此很难得到想要尺寸的通孔。此外，由于碱溶液的离子问题不能进入超净间操作，并且影响器件的性能。
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。
CN102956543A公开了一种硅通孔的制作方法，包括如下步骤：步骤1，在硅衬底上沉积栅极与金属层之间的层间介质膜；步骤2，栓孔与硅通孔PAD光刻与刻蚀；步骤3，硅通孔光刻与刻蚀；步骤4，栓孔与硅通孔金属填充。该方法可以避免在氧化膜的交界面形成横向的底切(undercut)，有利于后续金属的填充。
CN103390581A公开了一种硅通孔刻蚀方法，包括：提供待刻蚀硅衬底；采用第一刻蚀对所述硅衬底进行刻蚀，形成开口；采用钝化沉积在所述开口的侧壁和底部形成保护层；采用第二刻蚀对所述开口底部进行刻蚀，其中，所述第二刻蚀的刻蚀腔室压力小于第一刻蚀和钝化沉积的刻蚀腔室压力；依次循环采用所述第一刻蚀、钝化沉积和第二刻蚀，处理所述硅衬底，直至形成硅通孔。本发明形成的硅通孔侧壁粗糙度低。
CN102956548A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。该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。但该方法硅片的刻蚀过程需要使用电场辅助来完成，操作不方便，不利于扩大生产。
发明内容
本发明公开了一种工艺简单、成本低廉且可大规模生产的刻蚀微米硅通孔的方法。
一种刻蚀微米硅通孔的方法，包括以下步骤：
(1)取硅片，清洗后吹干；
(2)在硅片双面涂覆光刻胶，烘干后进行光刻，显影；
(3)在经光刻的硅片双面沉积若干层贵金属；
(4)将沉积贵金属的硅片置于腐蚀液中，反应形成通孔；
(5)清洗，吹干。
所述的硅片为单晶硅，厚度为100～300μm。
所述的单晶硅为n型硅片或p型硅片。
其中，步骤(1)中硅片清洗的方法包：
(a)将硅片浸泡在丙酮中超声清洗3～10min；
(b)再将硅片浸泡在乙醇中超声清洗3～10min；
(c)重复步骤(1)和(2)；
(d)去离子水清洗3～5遍。
步骤(5)中，硅片清洗的方法为：将形成通孔的硅片在丙酮溶液中浸泡后取出，再用大量去离子水清洗硅片。
所述硅片吹干所用气体为氮气。
所述烘干温度为90～120℃，烘干时间为30s～2min。优选的，烘干温度为100～110℃，烘干时间为45s～90s。最优选的，烘干温度为105℃，烘干时间为1min。
步骤(3)中，先沉积一层银，再沉积一层金。银层厚度为3～10nm，金层厚度为5～20nm。优选的，银层厚度为3～7nm，金层厚度为7～15nm。最优选的，银层厚度为5nm，金层厚度为10nm。
所述腐蚀液配置方法为：配置浓度为4.0～8.0mol/L的氢氟酸溶液和浓度为0.3～0.7mol/L的过氧化氢溶液，两者再以体积比10∶1混合。优选的，所述腐蚀液配置方法为：配置浓度为5.0～6.5mol/L的氢氟酸溶液和浓度为0.4～0.55mol/L的过氧化氢溶液，两者再以体积比10∶1混合。最优选的，所述腐蚀液配置方法为：配置浓度为5.74mol/L的氢氟酸溶液和浓度为0.46mol/L的过氧化氢溶液，两者再以体积比10∶1混合。
硅片在腐蚀液中反应时间为1～10h。优选的，硅片在腐蚀液中反应时间为1.5～7.5h。具体刻蚀反应时间以形成通孔为前提。
本发明使用双面光刻技术和贵金属辅助化学刻蚀技术，通过在硅片两边表面先涂胶形成一层掩模，在所需要的图案地方显影出来，由内向外沉积一层银和一层金。银和金粒子在反应中作为催化剂，在其沉积处形成局部原电池，氢原子在阴极发生还原反应，硅在阳极发生氧化反应，由于腐蚀液中含氢氟酸而溶解，银对硅的刻蚀是从周边向中间进行的，随着反应的进行，银很快陷入硅中，并且不断向下刻蚀。
本发明采用双面光刻，刻蚀过程也是双面进行，当两面刻蚀到一起后，形成硅通孔，刻蚀速度快，刻蚀后无需进一步处理，微观形貌良好，可大规模生产。
附图说明
图1为本发明方法工艺流程图；
图2为本发明微米硅通孔截面图；
图3为本发明微米硅通孔俯视图。
具体实施方式
实施例1
(1)将电阻率0.1～1Ω·cmp、厚度300μm的硅片在在丙酮和乙醇中各超声清洗5分钟，清洗两遍。然后用热去离子水和冷去离子水分别清洗2～3遍，氮气吹干备用。
(2)将清洗吹干后的硅片，双面涂光刻胶，105℃烘1分钟，光刻机双面光刻曝光1.4秒，再显影45秒。
(3)利用电子束蒸发设备在光刻后的硅片正反两面上依次沉积厚度为5nm的银和10nm的金。
(4)配制5.74mol/L氢氟酸溶液和0.46mol/L过氧化氢溶液，两者以体积比10∶1混合制得腐蚀液。
(5)将步骤(3)中硅片置于配制好腐蚀液中反应，反应1.5小时后取出。
(6)将刻蚀好的硅片取出，泡入丙酮溶液中10分钟后取出，再用大量去离子水清洗后氮气吹干，获得微米硅通孔，然后用台阶仪测试刻蚀孔的深度，计算出刻蚀速率，估计蚀刻的总时间。
实施例2
(1)将电阻率0.1～1Ω·cmp、厚度300μm的硅片在在丙酮和乙醇中各超声清洗5分钟，清洗两遍。然后用热去离子水和冷去离子水分别清洗2～3遍，氮气吹干备用。
(2)将清洗吹干后的硅片，双面涂光刻胶，105℃烘1分钟，光刻机双面光刻曝光1.4秒，再显影45秒。
(3)利用电子束蒸发设备在光刻后的硅片正反两面上依次沉积厚度为5nm的银和10nm的金。
(4)配制5.74mol/L氢氟酸溶液和0.46mol/L过氧化氢溶液，两者以体积比10∶1混合制得腐蚀液。
(5)将步骤(3)中硅片置于配制好腐蚀液中反应，反应7.5小时后取出。
(6)将刻蚀好的硅片取出，用去离子水清洗几遍，再放入腐蚀液中10分钟，然后泡入丙酮溶液中10分钟后取出，再用大量去离子水清洗后氮气吹干，获得微米硅通孔。
实施例3
(1)将电阻率0.01～0.09Ω·cmp、厚度300μm的硅片在在丙酮和乙醇中各超声清洗5分钟，清洗两遍。然后用热去离子水和冷去离子水分别清洗2～3遍，氮气吹干备用。
(2)将清洗吹干后的硅片，双面涂光刻胶，105℃烘1分钟，光刻机双面光刻曝光1.4秒，再显影45秒。
(3)利用电子束蒸发设备在光刻后的硅片正反两面上依次沉积厚度为5nm的银和10nm的金。
(4)配制5.74mol/L氢氟酸溶液和0.46mol/L过氧化氢溶液，两者以体积比10∶1混合制得腐蚀液。
(5)将步骤(3)中硅片置于配制好腐蚀液中反应，反应1.5小时后取出。
(6)将刻蚀好的硅片取出，泡入丙酮溶液中10分钟后取出，再用大量去离子水清洗后氮气吹干，获得微米硅通孔，然后用台阶仪测试刻蚀孔的深度，计算出刻蚀速率，估计蚀刻的总时间。
实施例4
(1)将电阻率0.01～0.09Ω·cmp、厚度300μm的硅片在在丙酮和乙醇中各超声清洗5分钟，清洗两遍。然后用热去离子水和冷去离子水分别清洗2～3遍，氮气吹干备用。
(2)将清洗吹干后的硅片，双面涂光刻胶，105℃烘1分钟，光刻机双面光刻曝光1.4秒，再显影45秒。
(3)利用电子束蒸发设备在光刻后的硅片正反两面上依次沉积厚度为5nm的银和10nm的金。
(4)配制5.74mol/L氢氟酸溶液和0.46mol/L过氧化氢溶液，两者以体积比10∶1混合制得腐蚀液。
(5)将步骤(3)中硅片置于配制好腐蚀液中反应，反应7.5小时后取出。
(6)将刻蚀好的硅片取出，用去离子水清洗几遍，再放入腐蚀液中10分钟，然后泡入丙酮溶液中10分钟后取出，再用大量去离子水清洗后氮气吹干，获得微米硅通孔。
Claims (4)
1.一种刻蚀微米硅通孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取硅片，清洗后吹干；
(2)在硅片双面涂覆光刻胶，烘干后进行光刻，显影；
(3)在经光刻的硅片双面沉积若干层贵金属；
(4)将沉积贵金属的硅片置于腐蚀液中，反应形成通孔；
(5)清洗，吹干，
所述的硅片为单晶硅，厚度为100～300μm，所述的单晶硅为n型硅片或p型硅片，
步骤(3)中，先沉积一层银，再沉积一层金；银层厚度为3～10nm，金层厚度为5～20nm，
所述腐蚀液配置方法为：配置浓度为4.0～8.0mol/L的氢氟酸溶液和浓度为0.3～0.7mol/L的过氧化氢溶液，两者再以体积比10∶1混合，硅片在腐蚀液中反应时间为1～10h。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，硅片清洗的方法包括：
(a)将硅片浸泡在丙酮中超声清洗3～10min；
(b)再将硅片浸泡在乙醇中超声清洗3～10min；
(c)重复步骤(1)和(2)；
(d)去离子水清洗3～5遍。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅片吹干所用气体为氮气。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烘干温度为90～120℃，烘干时间为30s～2min。
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