CN109103129A - 图形化装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图形化装置及其使用方法，所述图形化装置包括：探针，用于配合腐蚀液在衬底表面形成预设图形，其中，在腐蚀液环境中，探针与衬底表面接触后，衬底的接触部分被溶解；以及探针驱动装置，用于驱动探针沿所述预设图形的轨迹运动。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及半导体加工技术领域，特别涉及一种图形化装置及其使用方法。
背景技术
半导体产业中，对衬底(例如硅衬底)进行图形化是一项重要的生产环节。现有技术中，图形化的方法主要包括光刻和刻蚀两大工艺过程。光刻的目的是形成所需要的图形掩模，刻蚀的目的主要是将光刻形成的光刻胶掩模图形转移到衬底中。总体加工过程较为复杂，并且对设备和环境的要求较高。
因此，有必要研究一种可直接图形化、工艺简单的图形化装置及方法。
发明内容
本发明的实施例提出了一种可直接进行图形化的图形化装置及其使用方法。
根据本发明的一个方面，提出了一种图形化装置，包括：探针，用于配合腐蚀液在衬底表面形成预设图形，其中，在腐蚀液环境中，探针与衬底表面接触后，衬底的接触部分被溶解；以及探针驱动装置，用于驱动探针沿所述预设图形的轨迹运动。
根据一些实施方式，所述腐蚀液包括氢氟酸(HF)、双氧水(H2O2)和水(H2O)。
根据一些实施方式，所述腐蚀液中氢氟酸、双氧水和水的摩尔质量比为5～7∶0.6～0.8∶45～55。
根据一些实施方式，所述腐蚀液中氢氟酸、双氧水和水的摩尔质量比为6∶0.7∶50。
根据一些实施方式，所述探针的材料包括金(Au)、铂金(Pt)或者银(Ag)。
根据一些实施方式，所述探针的形状为倒锥形或倒梯形。
根据一些实施方式，所述探针的针尖顶端的直径为4-10nm。
根据一些实施方式，所述衬底为单晶硅衬底。
根据一些实施方式，所述探针驱动装置用于控制探针运动的速度。
根据本发明的另一方面，提出一种利用所述的图形化装置进行图形化的方法，包括：在衬底表面滴加腐蚀液以形成腐蚀液环境；基于探针驱动装置，控制探针在腐蚀液环境中与衬底表面接触；基于探针驱动装置，驱动探针沿预设图形的轨迹运动。
在根据本发明的实施例的图形化装置中，通过设置探针并配合使用腐蚀液，使得在腐蚀液环境中，探针接触之处，衬底即被溶解。由此，在探针驱动装置的控制下，探针沿预设图形的轨迹运动之后，衬底上即可形成预设图形，直接完成衬底的图形化加工。无需前期的光学光刻或电子束光刻过程，也避免了后续将图形转移到衬底上所需的干法或湿法刻蚀过程，具有易实现可控制备、设备简单、可在常温常压下进行等诸多优点，应用前景广阔。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的图形化装置的结构示意图；以及
图2示出了利用图1的图形化装置进行图形化的方法的流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。
在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的图形化装置100的结构示意图。如图1所示，图形化装置100包括：探针1，用于配合腐蚀液2在衬底3表面形成预设图形，其中，在腐蚀液环境中，探针1与衬底3表面接触后，衬底3的接触部分被溶解；以及探针驱动装置4，用于驱动探针1沿预设图形的轨迹运动。在根据本发明的实施例的图形化装置100中，通过设置探针并配合使用腐蚀液，使得在腐蚀液环境中，探针接触之处，衬底即被溶解。由此，在探针驱动装置的控制下，探针沿预设图形的轨迹运动之后，衬底上即可形成预设图形，直接完成衬底的图形化加工。无需前期的光学光刻或电子束光刻过程，也避免了后续将图形转移到衬底上所需的干法或湿法刻蚀过程，具有易实现可控制备、设备简单、可在常温常压下进行等诸多优点，应用前景广阔。
衬底是半导体器件中的基础部件，对衬底进行图形化是制备集成电路的关键。单晶硅作为典型的半导体材料，被广泛应用于二极管、三极管、晶闸管等器件的衬底制备中。在本发明的实施例中，衬底3可选用单晶硅衬底。
探针1是一种针状结构，用于提供与衬底3表面之间细微的接触点，保证图形化的精细操作。探针1的形状可以为倒锥形或倒梯形。探针1的形状会影响图形的形貌，实际操作中，可根据具体需求设计探针1的形状。探针1中宽大的部分用于与探针驱动装置4连接，保证连接的稳定性；细小的部分(即，针尖顶端)用于与衬底3接触。探针1的针尖顶端的直径可以为4-10nm。在本发明的实施例中，探针1的材料可包括金(Au)、铂金(Pt)或者银(Ag)。探针1的材料的选用与腐蚀液2的组成和衬底3的材料种类紧密相关。
腐蚀液2可包括氢氟酸(HF)、双氧水(H2O2)和水(H2O)。在本发明的实施例中，腐蚀液2中氢氟酸、双氧水和水的摩尔质量比可以为5～7∶0.6～0.8∶45～55，进一步可以优选为6∶0.7∶50。腐蚀液2的组成及各组分的比例对图形化的效果(例如图形的形貌)有较大影响。可根据实际需求，调节腐蚀液2中各组分的比例。
探针驱动装置4可包括用于驱动探针1运动的外部电路和计算机，可根据预设图形进行相关的程序设定，自动控制探针1的运动情况，无需人为操作，过程方便、结果精准。探针驱动装置4除控制探针1的运动轨迹之外，也可控制探针1与衬底3表面的接触深度、受力大小。
以硅衬底为例，对本发明图形化装置100的作用原理进行阐述：
在腐蚀液环境中，通过探针驱动装置4在探针1上施加向下的压力，使得探针1的针尖和硅衬底表面接触。此时，探针1会起到微阴极的作用，促使腐蚀液2中的H2O2分解，从而产生大量的空穴(h+)。空穴进一步注入到与探针1接触或者接近探针1针尖位置的硅衬底区域中，从而将硅氧化为硅的氧化物，硅的氧化物在HF的作用下开始溶解。由此，如果探针1按照预先设定好的图形的轨迹运动，就可以在硅衬底的表面形成图形。
在探针1表面发生的反应可表示为如下反应式：
H2O2+2H+→2H2O+2h+
2H+→H2↑+2h+
在硅衬底表面发生的反应可表示为如下反应式：
Si+4h++4HF→SiF4+4H+
SiF4+2HF→H2SiF6
总的反应式可表示为：
Si+H2O2+6HF＝2H2O+H2SiF6+H2↑
可见，在本发明的实施例中，图形化过程无需提前光刻好图形掩模，也无需将掩模图形转移到衬底上，仅利用探针1即可一步刻划出预设图形。实际是将光刻工艺和刻蚀工艺统一为一体的操作，简化了工艺流程。
具体地，在腐蚀液2包括氢氟酸、双氧水和水，衬底3为单晶硅的情况下，只有金(Au)、铂金(Pt)或者银(Ag)三种材料可起到微阴极的作用。
进一步地，探针1的运动速度对图形化的效果也有较大影响。例如，探针1运动速度很快时，探针1和衬底3表面接触的时间就会很短，使得衬底3的溶解不充分，最终刻划的图形深度相应较浅。反之，探针1运动速度过慢时，探针1和衬底3表面接触的时间较长，使得衬底3过分溶解，最终刻划的图形深度相应较深，甚至可能穿透衬底3。可通过探针驱动装置4有效控制探针1的运动速度。
图2示出了利用图1的图形化装置100进行图形化的方法的流程图。如图2所示，进行图形化的方法可包括：
S1，在衬底3表面滴加适量腐蚀液2以形成腐蚀液环境；
S2，基于探针驱动装置4，控制探针1在腐蚀液环境中与衬底3表面接触，保证接触深度在合适范围内；
S3，基于探针驱动装置4，驱动探针1沿预设图形的轨迹运动，同时适当控制探针1的运动速度。探针1运动完毕，图形即制作完成。
可见，整个图形化的过程较为简单，并且大部分工作可由探针驱动装置4自动完成，只需提前设定好控制探针1运动路径的程序即可。可通过改变程序设定来形成不同的图形，具有很好的灵活性。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。为了清楚地示出各个部件的细节，附图中的各个部件并不是按比例绘制的，所以附图中的各个部件的比例也不应作为一种限制。
虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。
Claims (10)
1.一种图形化装置，包括：
探针，用于配合腐蚀液在衬底表面形成预设图形，其中，在腐蚀液环境中，探针与衬底表面接触后，衬底的接触部分被溶解；以及
探针驱动装置，用于驱动探针沿所述预设图形的轨迹运动。
2.根据权利要求1所述的图形化装置，其特征在于，所述腐蚀液包括氢氟酸(HF)、双氧水(H2O2)和水(H2O)。
3.根据权利要求2所述的图形化装置，其特征在于，所述腐蚀液中氢氟酸、双氧水和水的摩尔质量比为5～7∶0.6～0.8∶45～55。
4.根据权利要求3所述的图形化装置，其特征在于，所述腐蚀液中氢氟酸、双氧水和水的摩尔质量比为6∶0.7∶50。
5.根据权利要求1所述的图形化装置，其特征在于，所述探针的材料包括金(Au)、铂金(Pt)或者银(Ag)。
6.根据权利要求1所述的图形化装置，其特征在于，所述探针的形状为倒锥形或倒梯形。
7.根据权利要求1所述的图形化装置，其特征在于，所述探针的针尖顶端的直径为4-10nm。
8.根据权利要求1所述的图形化装置，其特征在于，所述衬底为单晶硅衬底。
9.根据权利要求1所述的图形化装置，其特征在于，所述探针驱动装置用于控制探针运动的速度。
10.一种利用权利要求1-9任一项所述的图形化装置进行图形化的方法，包括：
在衬底表面滴加腐蚀液以形成腐蚀液环境；
基于探针驱动装置，控制探针在腐蚀液环境中与衬底表面接触；
基于探针驱动装置，驱动探针沿预设图形的轨迹运动。
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