CN113421825A - 一种基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法，属于半导体微纳米制造技术领域。本发明包括：采用溅射方法在硅片表面相继沉积Cr掩膜和Cu掩膜；通过光刻法在Cu掩膜上形成图案化的光刻胶；用第一刻蚀液体刻蚀Cu掩膜得到图案化的Cu掩膜；去除图案化的光刻胶；以图案化的Cu掩膜为掩膜，用第二刻蚀液体刻蚀Cr掩膜，得到图案化的Cr/Cu双层金属掩膜；用第三刻蚀液体刻蚀硅片；分别用第一刻蚀液体和第二刻蚀液体去除图案化的Cu掩膜和Cr掩膜。本发明的方法可以轻易实现百微米以上深度的高质量深硅刻蚀；工艺简单、成本低、加工精度高，所制备的硅槽侧壁光滑、底部平整。
Description
技术领域
本发明属于半导体微纳米制造技术领域，具体涉及一种基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法。
背景技术
硅刻蚀技术是制备微机电系统(MEMS)和集成电路(IC)器件的最关键的技术之一。相比于干法刻蚀，硅湿法刻蚀工艺简单、均匀性好、生产效率高、成本低，因此被广泛地应用于工业化生产。用于硅湿法刻蚀的刻蚀剂可以是酸性的或碱性的，目前多采用强碱性的浓KOH溶液对单晶硅进行各向异性湿法刻蚀，制备各种微型器件。
选择合适的掩膜是实现硅湿法刻蚀的一个技术关键。通常采用的硅湿法刻蚀掩膜是氧化硅掩膜或者氧化硅/氮化硅双层掩膜，但是它们都有各自的缺点。氧化硅掩膜在KOH溶液中的刻蚀选择性不够高，难以实现50μm/h以上深度的深硅刻蚀。另外，氧化硅掩膜需要在高温条件下制备，且图案化氧化硅掩膜和去除氧化硅需要用到剧毒的氢氟酸。氧化硅/氮化硅双层掩膜虽然刻蚀选择性很高，但是制备过程复杂，成本较高。
高质量的金属掩膜室温条件下就可以快速制备，如果能够采用价格低廉的金属掩膜作为硅刻蚀掩膜，将大大降低硅湿法刻蚀工艺的成本并提高产能。
金属掩膜作为硅湿法刻蚀掩膜必须满足三个条件：
1、在平整的硅片表面上有很强的粘附性，可以在浓KOH溶液中长时间刻蚀而不脱落；
2、致密性足够高，可以有效阻挡浓KOH溶液的渗透；
3、在浓KOH溶液中有很强的抗性，几乎不溶于KOH溶液。
然而，找到同时满足这三个条件的金属掩膜并不容易。申请号为200510019052.4的中国专利申请提供了一种采用溅射沉积的Cr金属掩膜作为硅湿法刻蚀的掩膜，虽然Cr掩膜的粘附性很强，但是由于存在内应力和致密性不够高，Cr掩膜在浓KOH溶液中长时间刻蚀容易脱落，很难实现50μm以上深度的深硅刻蚀。因此，目前金属膜作为硅湿法刻蚀掩膜的技术仍有待进一步改进和完善。
发明内容
本发明目的是提供一种基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法，金属掩膜具有强粘附性、高致密性、极高的刻蚀选择性，可以轻易实现百微米以上深度的高质量深硅刻蚀；工艺简单、成本低、加工精度高，所制备的硅槽侧壁光滑、底部平整。
具体地说，本发明提供了一种基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法，包括：
采用溅射方法在硅片表面相继沉积Cr掩膜和Cu掩膜，形成Cr/Cu双层金属掩膜；
通过光刻法在Cr/Cu双层金属掩膜的Cu掩膜上形成图案化的光刻胶；
以所述图案化的光刻胶为掩膜，用第一刻蚀液体刻蚀Cu掩膜将光刻胶的图案转移到Cu掩膜上，得到图案化的Cu掩膜；
去除所述图案化的光刻胶；
以所述图案化的Cu掩膜为掩膜，用第二刻蚀液体刻蚀Cr掩膜，得到图案化的Cr/Cu双层金属掩膜；
以所述图案化的Cr/Cu双层金属掩膜为所述硅片的掩膜，用第三刻蚀液体刻蚀所述硅片；
分别用第一刻蚀液体和第二刻蚀液体去除所述图案化的Cu掩膜和图案化的Cr掩膜。
进一步的，所述用第三刻蚀液体刻蚀所述硅片在设定温度下进行。
进一步的，所述第一刻蚀液体为FeCl3溶液，第二刻蚀液体为K3[Fe(CN)6]溶液，第三刻蚀液体为KOH溶液。
进一步的，所述KOH溶液的温度为70℃～80℃。温度越高，刻蚀硅的速度越快，但是温度过高会导致比较粗糙的硅刻蚀表面，经实验，温度不宜超过100℃；温度70℃时硅刻蚀速率约15μm/h，75℃时刻蚀速率约20μm/h，80℃时刻蚀速率约27μm/h，可以通过控制刻蚀时间获得需要的硅刻蚀深度。
进一步的，所述FeCl3溶液由FeCl3粉末、37％浓盐酸和去离子水分别按质量分数10％、2％和88％配制而成。
进一步的，所述K3[Fe(CN)6]溶液由K3[Fe(CN)6]粉末、NaOH粉末和去离子水分别按质量分数20％、10％和70％配制而成。
进一步的，所述KOH溶液由KOH粉末、异丙醇、去离子水分别按质量分数30％、10％和60％配制而成。
本发明的基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法的有益效果如下：
Cr掩膜具有很强的粘附性，但是致密性不足；而Cu掩膜具有大大优于Cr掩膜的致密性。本发明采用Cr/Cu双层金属掩膜作为硅湿法刻蚀的掩膜，采用Cr掩膜充当粘附层，Cu掩膜充当致密层，使金属掩膜同时具有强粘附性和高致密性；另外，Cr掩膜和Cu掩膜几乎不溶于浓KOH溶液，具有极高的刻蚀选择性；这些优点使得Cr/Cu双层金属掩膜在浓KOH溶液中非常稳定，80℃下浸泡10h以上也不破裂、不脱落，以此为掩膜，Cr/Cu双层金属膜底下的硅片得到很好的保护，可以轻易实现百微米以上深度的高质量深硅刻蚀。
本发明的Cr/Cu双层金属掩膜以Cu为主，由于Cu的价格相当便宜，所以相比于SiO2膜、SiO2/Si3N4膜和纯Cr掩膜等，本发明采用的Cr/Cu双层金属掩膜材料成本更低；另外，本发明中涉及的各种湿法刻蚀液都可以用廉价的常规原料配制，所以Cr/Cu双层金属掩膜作为掩膜实现硅湿法刻蚀的工艺简单、成本低，适用于大规模的工业化生产。
掩膜图案边缘的粗糙度会直接影响最终刻蚀出的硅槽侧壁的平整度，所以如何实现Cr/Cu双层金属掩膜的高精度图案化是实现高质量硅湿法刻蚀的一个关键。本发明用FeCl3刻蚀液和K3[Fe(CN)6]刻蚀液的组合实现Cr/Cu双层金属掩膜的图案化。以光刻胶为掩膜，FeCl3刻蚀液可以实现表层Cu掩膜的高精度图案化；因为K3[Fe(CN)6]刻蚀液对Cu没有刻蚀作用，所以再以图案化的Cu掩膜为掩膜，用K3[Fe(CN)6]刻蚀液就可以实现底层Cr掩膜的高精度图案化。用本发明中的湿法刻蚀方法制作的Cr/Cu双层金属掩膜图案边缘非常平整，露出的硅片表面也非常干净平整，以此为掩膜，刻蚀出的硅槽侧壁光滑、底部平整(粗糙度小于10nm)，可以实现侧壁光滑、底部平整的高质量硅湿法刻蚀。本发明的方法可以用于制备各种高性能的硅微结构器件，如硅基加速度传感器、声波传感器、原子力显微镜的悬臂探头等；也可以制备高质量的硅基模板，从而转印出高性能的非硅基微型器件。
附图说明
图1是本发明实施例的工艺流程。
图2是本发明实施例的磁控溅射的200nm厚Cr掩膜和200nm厚Cu掩膜的致密性扫描电子显微镜表征。
图3是本发明实施例的单晶硅片上图案化的Cr/Cu双层金属掩膜俯视图。
图4是本发明实施例2以Cr/Cu双层金属掩膜为掩膜，70℃下刻蚀(001)晶向的硅2.5h得到的不同尺寸的硅槽的照片，刻蚀深度约35μm；其中，a)为50μm宽的硅槽的照片，b)为100μm宽的硅槽的照片，c)为300μm宽的硅槽的照片。
图5是本发明实施例3以Cr/Cu双层金属掩膜为掩膜，75℃下刻蚀(001)晶向的硅2.5h得到的不同尺寸的硅槽的照片，刻蚀深度约50μm；其中，a)为100μm宽的硅槽的照片，b)为200μm宽的硅槽的照片，c)为300μm宽的硅槽的照片。
图6是本发明实施例4以Cr/Cu双层金属掩膜为掩膜，80℃下刻蚀(001)晶向的硅5h得到的不同尺寸的硅槽的照片，刻蚀深度约130μm；其中，a)为150μm宽的硅槽的照片，b)为200μm宽的硅槽的照片，c)为300μm宽的硅槽的照片。
图7是本发明实施例5以Cr/Cu双层金属掩膜为掩膜，75℃下刻蚀(001)晶向的硅9h得到的不同尺寸的硅槽的照片，刻蚀深度约180μm；其中，a)为200μm宽的硅槽的照片，b)为300μm宽的硅槽的照片，c)为400μm宽的硅槽的照片。
具体实施方式
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1：
本发明的一个实施例，为一种基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法，如图1所示，包括如下步骤：
(1)沉积Cr/Cu双层金属膜
采用溅射方法(例如磁控溅射)在硅片表面相继沉积出Cr掩膜和Cu掩膜，形成Cr/Cu双层金属掩膜。如图2所示，磁控溅射的Cu掩膜致密性明显优于Cr掩膜。
可选的，在沉积Cr/Cu双层金属掩膜之前，清洗硅片，得到洁净的硅片，可以使得Cr掩膜与硅片间具有很好的粘附性。
(2)制备图案化的光刻胶
通过光刻法在Cr/Cu金属膜的表层(即Cu掩膜)上曝光、显影形成图案化的光刻胶。光刻胶的厚度根据Cu掩膜的厚度设置，当Cu掩膜较厚时，刻蚀Cu掩膜需要的时间较长，光刻胶的厚度相应的需较厚。具体包括：
用匀胶机在Cr/Cu掩膜上旋涂一层光刻胶；再用热台烘烤光刻胶；然后用光刻机在光刻胶上曝光图案；最后显影液显影，再用去离子水定影，得到图案化的光刻胶；接着，用等离子去胶机去除显影不彻底留下的残胶。
(3)制备图案化的Cu掩膜
以图案化的光刻胶为掩膜，用第一刻蚀液体浸泡刻蚀Cu掩膜将光刻胶图案转移到Cu掩膜上，得到图案化的Cu掩膜。第一刻蚀液体可以刻蚀Cu掩膜，但不会刻蚀Cr掩膜，从而可以实现表层Cu掩膜的高精度图案化。优选的，第一刻蚀液体为FeCl3溶液。
(4)去除图案化的光刻胶。
(5)制备图案化的Cr掩膜
以图案化的Cu掩膜为掩膜，用第二刻蚀液体浸泡刻蚀底层Cr掩膜，从而得到图案化的Cr/Cu双层金属掩膜。第二刻蚀液体可以刻蚀Cr掩膜，但对Cu没有刻蚀作用，所以再以图案化的Cu掩膜为掩膜，用第二刻蚀液体就可以实现底层Cr掩膜的高精度图案化。优选的，第二刻蚀液体采用铁氰化钾(K3[Fe(CN)6])溶液。
(6)硅湿法刻蚀
将图案化的Cr/Cu金属膜作为硅片的掩膜，用第三刻蚀液体在设定温度下刻蚀硅。第三刻蚀液体能够刻蚀硅，但Cr掩膜和Cu掩膜几乎不溶于第三刻蚀液体。优选的，采用KOH溶液作为第三刻蚀液体，Cr掩膜和Cu掩膜几乎不溶于浓KOH溶液，具有极高的刻蚀选择性；这些优点使得Cr/Cu双层金属膜在KOH溶液中非常稳定，80℃下浸泡10h以上也不破裂、不脱落，以此为掩膜，Cr/Cu双层金属膜底下的硅片得到很好的保护，可以轻易实现百微米以上深度的高质量深硅刻蚀。
刻蚀硅片时，KOH溶液的温度70℃～80℃为宜；温度越高，刻蚀硅的速度越快，但是温度过高会导致比较粗糙的硅刻蚀表面，经实验，温度不宜超过100℃；温度70℃时硅刻蚀速率约15μm/h，75℃时刻蚀速率约20μm/h，80℃时刻蚀速率约27μm/h，根据需要的硅刻蚀深度控制刻蚀时间。
(7)分别用第一刻蚀液体和第二刻蚀液体去除Cu掩膜和Cr掩膜。
实施例2：
本发明的一个实施例，为一种基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法，制备约35μm深的硅槽，包括如下步骤：
(1)用磁控溅射系统在洁净的硅片表面相继沉积5nm厚的Cr掩膜和50nm厚的Cu掩膜，形成Cr/Cu双层金属掩膜。Cr掩膜的磁控溅射参数为：沉积温度为室温附近，溅射功率120W，气氛Ar，溅射气压1.6Pa；Cu掩膜的磁控溅射参数为：沉积温度为室温，溅射功率120W，气氛Ar，溅射气压1.6Pa。
本实施例中，为了进行各向异性刻蚀，采用了单晶硅。可以理解，采用其他非单晶硅的硅片也可以实施本发明的基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法。
(2)用匀胶机在Cr/Cu双层金属掩膜上旋涂一层S1813正性光刻胶，旋涂参数为：先500rpm旋涂5s，再6000rpm旋涂60s；再用热台115℃烘烤1min；然后用光刻机在光刻胶上曝光图案，曝光剂量为100mJ/cm2；最后用MF-319显影液显影50s，再用去离子水定影30s得到光刻胶掩膜图案。接着，用等离子去胶机去除显影不彻底留下的残胶，具体去胶参数为：Ar气气压约10Pa，功率50W，刻蚀时间10min。
可以理解，采用其他正性光刻胶或者负性光刻胶也可以在Cr/Cu双层金属掩膜上形成图案化的光刻胶。
(3)将FeCl3粉末、37％浓盐酸和去离子水分别按质量分数10％、2％和88％配制成FeCl3溶液，再以光刻胶图案为掩膜，用FeCl3溶液在室温下浸泡刻蚀Cu掩膜1s，将光刻胶图案转移到Cu掩膜上，然后在丙酮中超声去除光刻胶。本实施例中给出的FeCl3溶液浓度经实验验证可以取得较好的刻蚀速度和效果。可以理解，采用其他浓度的FeCl3溶液也可以实现本发明的基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法。
(4)将K3[Fe(CN)6]粉末、NaOH粉末和去离子水分别按质量分数20％、10％和70％配制成K3[Fe(CN)6]溶液，再以图案化的Cu掩膜为掩膜，用K3[Fe(CN)6]溶液在室温下浸泡刻蚀底层Cr掩膜10s，从而得到图案化的Cr/Cu双层金属掩膜。如图3所示，最终图案化的Cr/Cu掩膜图案边缘非常平整，露出的硅片表面也非常干净平整，这对于实现侧壁光滑、底部平整的高质量硅湿法刻蚀至关重要。
本实施例中给出的K3[Fe(CN)6]溶液浓度经实验验证可以取得较好的刻蚀速度和效果。可以理解，采用其他浓度的K3[Fe(CN)6]溶液也可以实现本发明的基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法。
(5)将KOH粉末、异丙醇、去离子水分别按质量分数30％、10％和60％配制成浓KOH溶液，再以图案化的Cr/Cu双层金属掩膜为掩膜，用浓KOH溶液在70℃下刻蚀(001)晶向的单晶硅2.5h，最后用FeCl3溶液和K3[Fe(CN)6]溶液去除Cr/Cu双层金属掩膜。图4为本实施例刻蚀得到的不同尺寸的硅槽，硅槽深度约35μm。
本实施例中给出的KOH溶液浓度经实验验证可以取得较好的刻蚀速度和效果。可以理解，采用其他浓度的KOH溶液也可以实现本发明的基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法。
实施例3：
本发明的一个实施例，为一种基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法，制备约50μm深硅槽，包括如下步骤：
(1)在硅片表面通过溅射方法相继沉积10nm厚的Cr掩膜和200nm厚的Cu掩膜，形成Cr/Cu双层金属掩膜。Cr掩膜的磁控溅射参数为：沉积温度为室温附近，溅射功率60W，气氛Ar，溅射气压1.0Pa；Cu掩膜的磁控溅射参数为：沉积温度为室温，溅射功率60W，气氛Ar，溅射气压1.0Pa。
本实施例中，为了进行各向异性刻蚀，采用了单晶硅。可以理解，采用其他非单晶硅的硅片也可以实施本发明的基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法。
(2)用匀胶机在Cr/Cu双层金属掩膜上旋涂一层S1813正性光刻胶，旋涂参数为：先500rpm旋涂5s，再4000rpm旋涂60s；再用热台115℃烘烤1min；然后用光刻机在光刻胶上曝光图案，曝光剂量为150mJ/cm2；最后用MF-319显影液显影60s，再用去离子水定影30s得到光刻胶掩膜图案。接着，用等离子去胶机去除显影不彻底留下的残胶，具体去胶参数为：Ar气气压约17Pa，功率100W，刻蚀时间3min。
(3)将FeCl3粉末、37％浓盐酸和去离子水分别按质量分数10％、2％和88％配制成FeCl3溶液，再以光刻胶图案为掩膜，用FeCl3溶液在室温下浸泡刻蚀Cu掩膜2s，将光刻胶图案转移到Cu掩膜上，然后在丙酮中超声去除光刻胶。
(4)将K3[Fe(CN)6]粉末、NaOH粉末和去离子水分别按质量分数20％、10％和70％配制成K3[Fe(CN)6]溶液，再以图案化的Cu掩膜为掩膜，用K3[Fe(CN)6]溶液在室温下浸泡刻蚀底层Cr掩膜20s，从而得到图案化的Cr/Cu双层金属掩膜。
(5)将KOH粉末、异丙醇、去离子水分别按质量分数30％、10％和60％配制成浓KOH溶液，再以图案化的Cr/Cu双层金属掩膜为掩膜，用浓KOH溶液在75℃下刻蚀(001)晶向的单晶硅2.5h，最后用FeCl3溶液和K3[Fe(CN)6]溶液去除Cr/Cu掩膜。图5为本实施例刻蚀得到的不同尺寸的硅槽，硅槽深度约50μm。
实施例4：
本发明的一个实施例，为一种基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法，制备约130μm深硅槽，包括如下步骤：
(1)在洗净的硅片表面通过溅射方法相继沉积50nm厚的Cr掩膜和500nm厚的Cu掩膜，形成Cr/Cu双层金属掩膜。Cr掩膜的磁控溅射参数为：沉积温度为室温附近，溅射功率200W，气氛Ar，溅射气压3.0Pa；Cu掩膜的磁控溅射参数为：沉积温度为室温，溅射功率200W，气氛Ar，溅射气压3.0Pa。
本实施例中，为了进行各向异性刻蚀，采用了单晶硅。可以理解，采用其他非单晶硅的硅片也可以实施本发明的基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法。
(2)用匀胶机在Cr/Cu双层金属掩膜上旋涂一层S1813正性光刻胶，旋涂参数为：先500rpm旋涂5s，再2000rpm旋涂60s；再用热台115℃烘烤1min；然后用光刻机在光刻胶上曝光图案，曝光剂量为250mJ/cm2；最后用MF-319显影液显影70s，再用去离子水定影30s得到光刻胶掩膜图案。接着，用等离子去胶机去除显影不彻底留下的残胶，具体去胶参数为：Ar气气压约30Pa，功率300W，刻蚀时间1min。
(3)将FeCl3粉末、37％浓盐酸和去离子水分别按质量分数10％、2％和88％配制成FeCl3溶液，再以光刻胶图案为掩膜，用FeCl3溶液在室温下浸泡刻蚀Cu掩膜5s，将光刻胶图案转移到Cu掩膜上，然后在丙酮中超声去除光刻胶。
(4)将K3[Fe(CN)6]粉末、NaOH粉末和去离子水分别按质量分数20％、10％和70％配制成K3[Fe(CN)6]溶液，再以图案化的Cu掩膜为掩膜，用K3[Fe(CN)6]溶液在室温下浸泡刻蚀底层Cr掩膜20s，从而得到图案化的Cr/Cu双层金属掩膜。
(5)将KOH粉末、异丙醇、去离子水分别按质量分数30％、10％和60％配制成浓KOH溶液，再以图案化的Cr/Cu双层金属掩膜为掩膜，用浓KOH溶液在80℃下刻蚀(001)晶向的单晶硅5h，最后用FeCl3溶液和K3[Fe(CN)6]溶液去除Cr/Cu双层金属掩膜。图6为本实施例刻蚀得到的不同尺寸的硅槽，硅槽深度约130μm。
实施例5：
本发明的一个实施例，为一种基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法，制备约180μm深硅槽，包括如下步骤：
(1)清洗单晶硅片，然后用磁控溅射系统在洗净的硅片表面相继沉积100nm厚的Cr掩膜和800nm厚的Cu掩膜，形成Cr/Cu双层金属掩膜。Cr掩膜的磁控溅射参数为：沉积温度为室温附近，溅射功率120W，气氛Ar，溅射气压1.6Pa；Cu掩膜的磁控溅射参数为：沉积温度为室温，溅射功率120W，气氛Ar，溅射气压1.6Pa。
本实施例中，为了进行各向异性刻蚀，采用了单晶硅。可以理解，采用其他非单晶硅的硅片也可以实施本发明的基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法。
(2)用匀胶机在Cr/Cu双层金属掩膜上旋涂一层S1813正性光刻胶，旋涂参数为：先500rpm旋涂5s，再4000rpm旋涂60s；再用热台115℃烘烤1min；然后用光刻机在光刻胶上曝光图案，曝光剂量为150mJ/cm2；最后用MF-319显影液显影60s，再用去离子水定影30s得到光刻胶掩膜图案。接着，用等离子去胶机去除显影不彻底留下的残胶，具体去胶参数为：Ar气气压约17Pa，功率200W，刻蚀时间2min。
(3)将FeCl3粉末、37％浓盐酸和去离子水分别按质量分数10％、2％和88％配制成FeCl3溶液，再以光刻胶图案为掩膜，用FeCl3溶液浸泡刻蚀Cu掩膜8s，将光刻胶图案转移到Cu掩膜上，然后在丙酮中超声去除光刻胶。
(4)将K3[Fe(CN)6]粉末、NaOH粉末和去离子水分别按质量分数20％、10％和70％配制成K3[Fe(CN)6]溶液，再以图案化的Cu掩膜为掩膜，用K3[Fe(CN)6]溶液浸泡刻蚀底层Cr掩膜40s，从而得到图案化的Cr/Cu双层金属掩膜。
(5)将KOH粉末、异丙醇、去离子水分别按质量分数30％、10％和60％配制成浓KOH溶液，再以图案化的Cr/Cu双层金属掩膜为掩膜，用浓KOH溶液在75℃下刻蚀(001)晶向的单晶硅9h，最后用FeCl3溶液和K3[Fe(CN)6]溶液去除Cr/Cu双层金属掩膜。图7为刻蚀得到的不同尺寸的硅槽，硅槽深度约180μm。
Cr掩膜具有很强的粘附性，但是致密性不足；而Cu掩膜具有大大优于Cr掩膜的致密性。本发明采用Cr/Cu双层金属掩膜作为硅湿法刻蚀的掩膜，采用Cr掩膜充当粘附层，Cu掩膜充当致密层，使金属掩膜同时具有强粘附性和高致密性；另外，Cr掩膜和Cu掩膜几乎不溶于浓KOH溶液，具有极高的刻蚀选择性；这些优点使得Cr/Cu双层金属掩膜在浓KOH溶液中非常稳定，80℃下浸泡10h以上也不破裂、不脱落，以此为掩膜，Cr/Cu双层金属掩膜底下的硅片得到很好的保护，可以轻易实现百微米以上深度的高质量深硅刻蚀。
本发明的Cr/Cu双层金属掩膜以Cu为主，由于Cu的价格相当便宜，所以相比于SiO2膜、SiO2/Si3N4膜和纯Cr掩膜等，本发明采用的Cr/Cu双层金属掩膜材料成本更低；另外，本发明中涉及的各种湿法刻蚀液都可以用廉价的常规原料配制，所以Cr/Cu双层金属掩膜作为掩膜实现硅湿法刻蚀的工艺简单、成本低，适用于大规模的工业化生产。
掩膜图案边缘的粗糙度会直接影响最终刻蚀出的硅槽侧壁的平整度，所以如何实现Cr/Cu双层金属掩膜的高精度图案化是实现高质量硅湿法刻蚀的一个关键。本发明用FeCl3刻蚀液和K3[Fe(CN)6]刻蚀液的组合实现Cr/Cu双层金属掩膜的图案化。以光刻胶为掩膜，FeCl3刻蚀液可以实现表层Cu掩膜的高精度图案化；因为K3[Fe(CN)6]刻蚀液对Cu没有刻蚀作用，所以再以图案化的Cu掩膜为掩膜，用K3[Fe(CN)6]刻蚀液就可以实现底层Cr掩膜的高精度图案化。用本发明中的湿法刻蚀方法制作的Cr/Cu双层金属掩膜图案边缘非常平整，露出的硅片表面也非常干净平整，以此为掩膜，刻蚀出的硅槽侧壁光滑、底部平整(粗糙度小于10nm)，可以实现侧壁光滑、底部平整的高质量硅湿法刻蚀。本发明的方法可以用于制备各种高性能的硅微结构器件，如硅基加速度传感器、声波传感器、原子力显微镜的悬臂探头等；也可以制备高质量的硅基模板，从而转印出高性能的非硅基微型器件。
刻蚀硅片时，KOH溶液的温度70℃～80℃为宜；温度越高，刻蚀硅的速度越快，但是温度过高会导致比较粗糙的硅刻蚀表面，经实验，温度不宜超过100℃；温度70℃时硅刻蚀速率约15μm/h，75℃时刻蚀速率约20μm/h，80℃时刻蚀速率约27μm/h，可以通过控制刻蚀时间获得需要的硅刻蚀深度。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (7)
1.一种基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法，其特征在于，包括：
采用溅射方法在硅片表面相继沉积Cr掩膜和Cu掩膜，形成Cr/Cu双层金属掩膜；
通过光刻法在Cr/Cu双层金属掩膜的Cu掩膜上形成图案化的光刻胶；
以所述图案化的光刻胶为掩膜，用第一刻蚀液体刻蚀Cu掩膜将光刻胶的图案转移到Cu掩膜上，得到图案化的Cu掩膜；
去除所述图案化的光刻胶；
以所述图案化的Cu掩膜为掩膜，用第二刻蚀液体刻蚀Cr掩膜，得到图案化的Cr/Cu双层金属掩膜；
以所述图案化的Cr/Cu双层金属掩膜为所述硅片的掩膜，用第三刻蚀液体刻蚀所述硅片；
分别用第一刻蚀液体和第二刻蚀液体去除所述图案化的Cu掩膜和图案化的Cr掩膜。
2.根据权利要求1所述的基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法，其特征在于，所述用第三刻蚀液体刻蚀所述硅片在设定温度下进行。
3.根据权利要求1所述的基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀液体为FeCl3溶液，第二刻蚀液体为K3[Fe(CN)6]溶液，第三刻蚀液体为KOH溶液。
4.根据权利要求3所述的基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法，其特征在于，所述KOH溶液的温度为70℃～80℃。
5.根据权利要求3所述的基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法，其特征在于，所述FeCl3溶液由FeCl3粉末、37％浓盐酸和去离子水分别按质量分数10％、2％和88％配制而成。
6.根据权利要求3所述的基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法，其特征在于，所述K3[Fe(CN)6]溶液由K3[Fe(CN)6]粉末、NaOH粉末和去离子水分别按质量分数20％、10％和70％配制而成。
7.根据权利要求3所述的基于Cr/Cu双层金属掩膜的硅湿法刻蚀方法，其特征在于，所述KOH溶液由KOH粉末、异丙醇、去离子水分别按质量分数30％、10％和60％配制而成。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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