CN107245755B - 适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置，包括反应机构、光照机构、冷却循环机构、电极机构；冷却循环机构包括用于盛装冷却液的冷却液循环桶、在冷却液循环桶中设置多个各自独立设置的反应机构；反应机构包括盛装有反应液的反应桶，反应桶下方设有硅片固定机构，所述硅片固定机构将硅片各自独立可拆卸密封固定在反应桶底部，光照机构设置在硅片固定机构下方并对应每个反应桶底部的硅片；电极机构包括作为阳极的冷却液、设置在反应桶中的阴极。本发明提供一种适用于多样品同步实验、保证刻蚀条件一致，并方便对比试验、并且节省成本的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置。

Description

适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种电化学刻蚀装置，尤其涉及一种适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置。

背景技术

光辅助电化学刻蚀是用于高深宽比细微结构的硅片制作，在MEMS、微传感器、太阳能电池等技术领域有着重要的地位。目前国内硅基HARMS的加工方法主要有3种：第一种方法是激光微加工，适合于加工分立的单个通孔，其不足之处在于串行操作、效率低、对位精度差。第二种方法是深反应离子刻蚀，可用于阵列化生产，但其制作设备和制作工艺的成本高昂，难于推广。第三种方法就是光助化学刻蚀法，也就是本装置所使用的方法，所需的反应装置结构简单，成本低，易于批量生产，而且更容易获得超高深宽比的微细结构。

目前国内外刻蚀装置都是以一个样品来进行实验，在每次实验的结束之后进行样品的更换，但是每次装载和取出样品时，即使将环境因素设置成相同，也会出现微小的差异，由于这些细微的参数变化，就有可能导致实验结果产生误差，甚至还可能会影响到实验结论。因此单独各自刻蚀样品，没有绝对的相同条件，也没有同步实验的说服力，也可能会影响到实验结果的正确性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种适用于多样品同步实验、保证刻蚀条件一致，可在一次实验的不同阶段取出样品，观察每个变量在不同阶段时对实验造成的影响，方便对比试验、并且节省成本的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置，包括用于刻蚀反应的反应机构、提供刻蚀光照的光照机构、用于保持刻蚀正常温度的冷却循环机构、用于刻蚀硅片的电极机构；

所述冷却循环机构包括用于盛装冷却液的冷却液循环桶、在冷却液循环桶中设置多个各自独立设置的反应机构；

所述反应机构包括盛装有反应液的反应桶，反应桶下方设有硅片固定机构，所述硅片固定机构将硅片各自独立可拆卸密封固定在每个反应桶底部，所述光照机构设置在硅片固定机构下方并对应每个反应桶底部的硅片；

所述电极机构包括作为阳极的冷却循环桶中的冷却液、设置在反应桶中的阴极。

所述的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置中，优选所述反应桶内设有用于促使反应液循环的反应液循环组件。

所述的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置中，优选所述反应液循环组件包括伸入到反应液中的搅拌桨、搅拌桨轴和驱动件，所述驱动件通过搅拌桨轴驱动搅拌桨旋转。

所述的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置中，优选所述反应桶底部设有反应通孔，反应通孔底面通过硅片固定机构可拆卸固定有硅片，所述反应桶中的反应液接触硅片正面。

所述的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置中，优选所述硅片固定机构包括旋盖，所述旋盖与反应桶螺接将硅片压紧固定在反应通孔上，并且所述旋盖将硅片背面光照刻蚀产生热量传导至冷却液。

所述的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置中，优选所述光照机构包括密封固定在冷却液循环桶中并对应每个反应桶的通光管，所述通光管的顶部与底部分别对应硅片和光源，光源通过通光管照射硅片背面。

所述的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置中，优选所述冷却液循环桶对应每个光照机构开有第一通光孔，所述光源设置在第一通光孔中。

所述的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置中，优选电极机构中，所述阴极为网格状并固定在硅片上方。

所述的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置中，优选所述反应桶通过支架机构可拆卸固定在冷却液循环桶中。

所述的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置中，优选所述支架机构包括可拆卸固定或插接在冷却液循环桶底部的多个角柱，反应桶可拆卸固定在角柱上，所述反应桶之间设有连接件将相邻反应桶可拆卸固定在一起。

本发明采用模块化设计，即设置多个独立的反应机构，每个反应机构相互独立，互不影响，实验中各个刻蚀参数设置相互独立并且可控。每个实验都可以可以随时终止并且取出实验样品，保证实验的进行途中可以清晰地记录到每个实验阶段所进行的情况。对应每个反应机构的各自独立设置光照机构和电极机构中的阴极，使得光照强度、反应液浓度、刻蚀阴极这三个参数是相互独立的，可以作为模块的每个反应机构进行单独设置，用以观测对实验的影响。而温度、冷却液、阳极等参数则是共同的，在同一实验中所有模块的这些参数都保持了一致，以便很好的观察其他参数的改变对实验所造成的影响。并且模块设计为方便拆卸，每个实验可以随时终止和取出观察，并且可以不对邻近模块进行影响，对实验中途的数据采集创造了有力的条件。

本发明不仅可以节省成本，还能够保证刻蚀条件一致，可在一次实验的不同阶段取出样品，观察每个变量在不同阶段时对实验造成的影响，方便对比试验。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的外观结构示意图；

图2是本发明实施例的剖视图；

图3是本发明实施例旋盖的结构示意图；

图4是图2的M局部放大图；.

图5是本发明实施例的阴极结构示意。.

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-5所示，一种适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置，包括用于刻蚀反应的反应机构100、提供刻蚀光照的光照机构500、用于保持刻蚀正常温度的冷却循环机构300、用于刻蚀硅片的电极机构200；所述冷却循环机构300包括用于盛装冷却液302的冷却液循环桶301、在冷却液循环桶301中设置多个各自独立设置的反应机构100；所述反应机构100包括盛装有反应液101的反应桶102，反应桶102下方设有硅片固定机构400，所述硅片固定机构400将硅片900各自独立可拆卸密封固定在反应桶102底部，所述光照机构500设置在硅片固定机构400下方并对应每个反应桶102底部的硅片900；所述电极机构200包括作为阳极的冷却液302、设置在反应桶102中的阴极。

冷却循环机构300包括冷却液循环桶301，冷却液循环桶301的主要作用是盛装冷却液302，对放置在冷却液循环桶301进行刻蚀的硅片900进行降温，将光线照射到硅片900背面的热量带走，不影响实验的温度及实验的进行。冷却液循环桶301的结构及其形状不作限定，可以是任意形状，本发明优选圆筒形或立方体形。冷却液循环桶301的高度至少超出反应桶102底部，使得盛装的冷却液302能埋没设置硅片900的高度，以利于刻蚀过程散热。

冷却液循环桶301中盛装有冷却液302，冷却液302的作用是将光照刻蚀过程中产生的热量带走，降低刻蚀温度，保持刻蚀正常进行。作为冷却作用的冷却液302可以有多种选择，本发明不作限定。同样本发明中冷却液302另外一个重要用途是作为电极机构200中的阳极202，则本发明必须采用可以作为阳极材料的溶液，优选CuSO4溶液。CuSO4溶液中的游离离子充足，还可以令其成为刻蚀实验中的阳极，整个装置成为共阳极的装置。

冷却液302的循环是采用外循环方式，即将冷却液循环桶301中的高温冷却液302抽吸出去，将低温的冷却液302补充进入冷却液循环桶301，保持冷却液302低温状态，冷却液302循环以及温度控制为现有技术，在此不再赘述。

反应机构100是用于盛装反应液101刻蚀硅片900，本发明设置多个各自独立的反应机构100，各个反应机构100的位置可以任意设置，但为了保持实验有序，优选采用阵列方式设置反应机构100，如图1所示，反应机构100呈3*3的方形矩阵设置。相邻反应桶102之间留有间距，以供冷却液302对每个反应机构100的反应进行降温，并有良好的降温效果。

如图2所示，反应机构100包括反应桶102，反应桶102为封闭结构，包括桶体120和桶盖121，反应桶102的桶体中盛装反应液101，反应液101采用HF反应溶液，反应桶102的桶体120大小满足反应过程中所需反应液101的容量。反应桶102的形状根据刻蚀硅片900形状确定，可以是任意形状，本实施例根据实验中提供的硅片900大小(20*20mm)而设计出的反应桶102是40mm*40mm的中空长方体结构。

如图2、3、4所示，硅片固定机构400将硅片900各自独立可拆卸密封固定在每个反应桶102底部，具体是在反应桶102底部设有反应通孔105，反应通孔105底面通过硅片固定机构400可拆卸固定有硅片900，所述反应桶102中的反应液101接触硅片900正面。反应通孔105形状及其大小根据硅片900形状和大小设置，本实施例采用16mm*16mm大小的正方形通孔。由于硅片900被固定在反应桶102底部，则反应液101在反应桶102内仅能接触到待刻蚀实验的硅片900的正面。

由于反应过程中产生气泡，气泡堆积在硅片900表面就影响硅片900刻蚀，因此采用反应液循环组件103对反应液101进行循环，通过循环带走堆积在硅片900表面的气泡。所述反应液循环组件103包括伸入到反应液101中的搅拌桨131、搅拌桨轴130和驱动件(图中未示出)，所述驱动件通过搅拌桨轴130驱动搅拌桨131旋转。搅拌桨131旋转，将反应桶102内顶部的HF溶液经过搅拌桨131冲刷到反应桶102内的底部的硅片900表面上，冲走表面反应所产生的气泡，避免影响反应的进行。驱动件选择电机，电机固定在反应桶102的桶盖121上，桶盖121中间开有一小孔将搅拌桨轴130伸出，连接固定电机。反应桶102中反应通孔105的面积是反应的有效面积，反应液101由上方冲刷到下方该处，将硅片900表面因反应而产生的气泡冲刷出去，并将反应通孔105内的反应液101替换。

如图2、4、5所示，电极机构200中，所述阴极201为网格状并固定在硅片900上方。阴极201的中间部分的网格稍密一些，对应着硅片900的待反应区域。阴极201材料选用Pt—铂金属，由于该金属硬度低，阴极201通过阴极固定架203固定，阴极固定架203为框架结构，将阴极201边缘上下加持并固定在反应桶102下部，且阴极201与硅片900之间的间距符合刻蚀要求。阴极201的连接线路通过中空的阴极线路引导柱205引出反应桶102接入阴极201电源上，阴极线路引导柱205设置在反应桶102的角落，不会影响到实验的进行。

现有技术中的硅片固定繁琐，需要用螺丝等方式进行固定，偶尔受力不均时会导致其破裂。本发明是通过硅片固定机构400进行固定的。即将硅片900放置在反应桶102底部的反应通孔105之下，硅片900的正面朝上，背面则是由硅片固定机构400压紧固定，硅片固定机构400包括旋盖401，所述旋盖401与反应桶102螺接将硅片900压紧固定在反应通孔105上，并且所述旋盖401将硅片900背面光照刻蚀产生热量传导至冷却液302，即旋盖401采用金属材料制成，能快速将光照产生的热量传导给冷却液302。

如图2、3所示，旋盖401设有外螺纹403，对应的反应桶102底部向下延伸有用于与旋盖401螺接的短接头123，短接头123设有内螺纹，旋盖401与短接头123螺接固定将硅片900压紧在反应通孔105底部。旋盖401顶部有用于设置橡胶圈的卡槽用来安置橡胶圈402，橡胶圈402接触硅片900背面，可以令硅片900与外界密封并且受力均匀，不会导致硅片900的破裂。

为了使得光照机构500能光照硅片900背面，则旋盖401设有第二通光孔404，光照机构500顶部密封插入旋盖401中，使得冷却液302不会进入到光照机构500中。

由于反应机构100设置多个，则对应的光照机构500也相应设置多个，所述光照机构500包括密封固定在冷却液循环桶301中并对应每个反应桶102的通光管501，所述通光管501的顶部与底部分别对应硅片900和光源，即通光管501顶部对应第二通光孔404，底部联通第一通光孔502，通光管501顶部密封固定有透明玻璃窗503，使得通光管501顶部只透光，不透入冷却液302，光源通过通光管501和透明玻璃窗503照射硅片900背面。所述冷却液循环桶301对应每个光照机构500开有第一通光孔502，所述光源设置在第一通光孔502中，第一通光孔502开设在冷却液循环桶301底面上，通光管501与第一通光孔502之间密封固定，防止冷却液302进入通光管501和光源中。

通光管501顶部与硅片900背面有间隙，并且与旋盖401周围有间隙，可以使冷却液302流通，流过硅片900背面时带走光照和反应所产生的热量，旋盖401材质使用金属材质，可以将该段孔隙内的热量导出去。

光照机构500的通光管501约束光源发出的光束，因此通光管501的形状与硅片900形状配合，为棱锥形，每个通光管501对应着一个反应机构100，位置位于旋盖401的正中间，使光束照射到硅片900背面的中心处，本实施例中大小约为15mm*15mm的地方，使之能够激发载流子促进反应的进行。通光管501采用金属铝材料，可以很好的将通光管501内的照射到壁上的光线折射到硅片900的背面，最大限度的利用了光照。金属铝材质也可以很好的将因光照所产生的热量所散发出去。

反应机构100之间相互独立，但又彼此联系，需要相互固定不会使之产生位移误差导致其松动，因此所述反应桶102通过支架机构可拆卸固定在冷却液循环桶301中。所述支架机构包括可拆卸固定或插接在冷却液循环桶301底部的多个角柱600，反应桶102可拆卸固定在角柱600上，所述反应桶102之间设有连接件106将相邻反应桶102可拆卸固定在一起。在反应桶102四角各设置一个角柱600。反应桶102与角柱600之间的可拆卸连接通过螺纹连接、过盈配合插接、卡扣等方式，本实施例采用螺纹连接。角柱600底部与冷却液循环桶301插接固定，即在冷却液循环桶301的底面设有插接槽(图中未示出)，角柱600紧配合插接在插接槽中固定，插接槽的位置同时为了保证光照机构500与反应机构100准确对接。

反应桶102之间的连接件106为卡扣方式，即连接件106包括在每个反应桶102侧壁上分别设有卡槽和卡扣，每个反应桶102都可以与邻近的反应桶102相扣，使反应桶102连接成为一个整体，统一固定实验。

安装过程及其实验过程：将通光管501的中心对应着第一通光孔502，并且加工固定在一起，通光管501顶部有透明玻璃窗503，可调光源放置在第一通光孔502内。阴极201放置在阴极固定架203的夹层之中防止变形，并且有一根线从阴极线路引导柱205中穿出到外面接可调阴极电源。搅拌桨131与搅拌桨轴130相互固定好，并且搅拌桨轴130从反应桶102的桶盖的中心处伸出，搅拌桨轴130与电机轴固定连接在一起，电机届时将会固定在反应桶102的桶盖121上。

其余的反应机构100等则按照上述步骤再次进行，但是放入冷却液循环桶301时，不仅将角柱600会与插接槽相互固定，并且将反应桶102的卡扣与另一个反应桶102的卡槽插接固定在一起，让该结构更加的稳定。

当所有需要进行反应桶102都固定好了之后，可以开始进行各种溶液的装载了。先将作为冷却液302和阳极202的CuSO4溶液装入冷却液循环桶301内，高度以漫过反应通孔105大约1cm左右为最佳，循环采用外部循环的冷却液循环系统，用一外接水泵进行冷却液302的循环。然后将HF反应溶液装入反应桶102内，以漫过搅拌桨131大约10mm最佳。

实验时，搅拌桨131进行工作，将上方的HF溶液推倒底下的反应通孔105处，冲刷着硅片900表面，令反应所产生的气泡被冲刷离开硅片900表面，避免影响刻蚀实验的反应进行。通光管501被旋盖401包覆，以免光线溢出影响邻近反应机构100的实验进行。冷却液302将会从一侧经过水泵被到处到另一侧，让其在冷却液循环桶301中进行流动。通光管501被旋盖401包覆住，但是邻接的通光管501之间、相邻旋盖401之间留有一定的间隙，可以让冷却液302流入。通光管501顶部的透明玻璃窗503与待反应硅片900的背面之间还存有间隙，冷却液302从旋盖401与通光管501之间的间隙流入，流到了硅片900背面与透明玻璃窗503之间的空隙，将被光照所加热的冷却液302替换，从而进行散热功能。旋盖401也采用金属铜材质，也保证了能让它将内部的热量散发到外围的冷却液302之中。

实验时先将待反应硅片900的中心与反应通孔105的中心对齐，并且将橡胶圈放置在旋盖401顶部的橡胶圈402卡槽内，然后将旋盖401旋上让其与待反应硅片900紧密接触，以达到密封效果。再将四个固定角柱600分别旋在四个角柱600螺孔上，让其固定好。此处插接槽的作用是固定反应机构100并且使反应机构100的反应通孔105找到与通光管501相对应的正确位置。然后对应着冷却液302装载桶底部的插接槽放置，让其旋盖401的中心能够与通光管501对应。

Claims (9)

1.一种适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置，包括用于刻蚀反应的反应机构、提供刻蚀光照的光照机构、用于保持刻蚀正常温度的冷却循环机构、用于刻蚀硅片的电极机构；其特征在于，

所述冷却循环机构包括用于盛装冷却液的冷却液循环桶、在冷却液循环桶中设置多个各自独立设置的反应机构；

所述反应机构包括盛装有反应液的反应桶，反应桶下方设有硅片固定机构，所述硅片固定机构将硅片各自独立可拆卸密封固定在每个反应桶底部，所述光照机构设置在硅片固定机构下方并对应每个反应桶底部的硅片；

所述电极机构包括作为阳极的冷却液、设置在反应桶中的阴极；

所述光照机构包括密封固定在冷却液循环桶中并对应每个反应桶的通光管，所述通光管的顶部与底部分别对应硅片和光源，光源通过通光管照射硅片背面。

2.根据权利要求1所述的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置，其特征在于，所述反应桶内设有用于促使反应液循环的反应液循环组件。

3.根据权利要求2所述的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置，其特征在于，所述反应液循环组件包括伸入到反应液中的搅拌桨、搅拌桨轴和驱动件，所述驱动件通过搅拌桨轴驱动搅拌桨旋转。

4.根据权利要求1所述的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置，其特征在于，所述反应桶底部设有反应通孔，反应通孔底面通过硅片固定机构可拆卸固定有硅片，所述反应桶中的反应液接触硅片正面。

5.根据权利要求4所述的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置，其特征在于，所述硅片固定机构包括旋盖，所述旋盖与反应桶螺接将硅片压紧固定在反应通孔上，并且所述旋盖将硅片背面光照刻蚀产生热量传导至冷却液。

6.根据权利要求1所述的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置，其特征在于，所述冷却液循环桶对应每个光照机构开有第一通光孔，所述光源设置在第一通光孔中。

7.根据权利要求1所述的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置，其特征在于，电极机构中，所述阴极为网格状并固定在硅片上方。

8.根据权利要求1所述的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置，其特征在于，所述反应桶通过支架机构可拆卸固定在冷却液循环桶中。

9.根据权利要求8所述的适用于多样品同步实验的光辅助电化学刻蚀装置，其特征在于，所述支架机构包括可拆卸固定或插接在冷却液循环桶底部的多个角柱，反应桶可拆卸固定在角柱上，所述反应桶之间设有连接件将相邻反应桶可拆卸固定在一起。