CN118083902A - 一种硅晶片的刻蚀方法和半导体结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种硅晶片的刻蚀方法，包括：提供硅晶片；将硅晶片的一面涂覆光刻胶；对硅晶片进行紫外直写或者利用光刻对准机进行紫外曝光并利用具有图案的光刻板，使得光刻胶形成待刻蚀图案区域，包括无法被显影剂去除的至少一个柱状结构图案和对应的至少一个牺牲结构图案，牺牲结构图案至少部分地围绕柱状结构图案；对硅晶片进行显影处理，保留柱状结构图案以及围绕柱状结构的牺牲结构图案；对硅晶片进行干性刻蚀，去除由牺牲结构图案限定的牺牲结构并保留由柱状结构图案限定的柱状结构，其中，所述干性刻蚀为等离子刻蚀。本发明还提供半导体结构。利用本发明的方法，可以得到具有几乎垂直的侧壁的柱状结构。

Description

一种硅晶片的刻蚀方法和半导体结构

技术领域

本发明涉及半导体技术，具体而言，涉及一种硅晶片的刻蚀方法和半导体结构。

背景技术

随着微加工技术的进步，微机电系统(MEMS)得到了迅速的发展。随着MEMS技术的发展，空心微针、微电极和微流体系统等应用领域都需要高深宽比(HAR)的环柱。深反应离子刻蚀(DRIE)是一种实现高深宽比结构的刻蚀方法，因为该刻蚀方法可以实现高各向异性和高选择性。Bosch工艺由交替的碳氟化合物(通常为C₄F₈)沉积和六氟化硫(SF₆)刻蚀组成，被认为是DRIE的先进技术。然而，Bosch工艺的一个关键问题是，当柱结构周围有大的开口区域时，将导致负锥度，使得制造高深宽比的环柱变得困难。由于等离子体鞘层开始跟随刻蚀特征，离子将偏离垂直方向入射，从而产生更严重的底切刻蚀，因此，对于具有大间隙的柱阵列，在几百微米高度处控制轮廓被认为是非常具有挑战性的。

这种等离子体成型效应已被有利地用于刻蚀与高结构相邻的“弯曲”离子轨迹的倾斜结构。另一个导致负剖面刻蚀的因素是主要由离子在鞘层内沿着其路径的散射引起的离子到达角的分布。通常在Bosch工艺中可以通过增加钝化半周期时间来改善轮廓角度。但是，这将大大降低刻蚀速率和选择性；而对于环形柱状结构，由于刻蚀的速度受刻蚀孔或槽深宽比影响(ARDE效应)，柱内部的孔的刻蚀将变得更加困难。ARDE效应是指对于孔或槽的刻蚀，随着深宽比的增大，刻蚀速率大大降低，甚至在某一高深宽比时，刻蚀会完全停止。这是由离子遮蔽效应和/或刻蚀物质向孔/沟槽底部的传输减少。对于DRIE，钝化时间的增加将会加剧ARDE效应，因为对于较高的深宽比，在孔底通过离子轰击去除碳氟聚合物会更加困难。离子轰击可以通过提高RF偏置功率来增强，但是代价是刻蚀速率选择性的降低和柱刻蚀锥角的进一步增大。

如图1所示，现有技术中，刻蚀宽间距结构时会发生严重的横向刻蚀，使其呈负锥形。也就是说，对于高深宽比环刻蚀，由于ARDE效应，外柱侧壁倾向于负锥形，而内孔侧壁倾向于正锥形；并且改善外表面轮廓角的努力通常会使内孔侧壁角恶化。

发明内容

因此，期望有一种替代方法。提出了在环形柱周围添加牺牲圆形结构。

本发明提出了一种硅晶片的刻蚀方法，包括：

提供硅晶片；

将所述硅晶片的一面涂覆光刻胶；

对所述硅晶片进行紫外直写或者利用光刻对准机进行紫外曝光并利用具有图案的光刻板，使得所述光刻胶形成待刻蚀图案区域，所述待刻蚀图案区域包括无法被显影剂去除的至少一个柱状结构图案和对应的至少一个牺牲结构图案，牺牲结构图案至少部分地围绕柱状结构图案；

对所述硅晶片进行显影处理，保留所述柱状结构图案以及围绕柱状结构的所述牺牲结构图案；

对所述硅晶片进行干性刻蚀，去除由所述牺牲结构图案限定的牺牲结构并保留由所述柱状结构图案限定的柱状结构，

其中，所述干性刻蚀为等离子刻蚀。

在一方面，所述牺牲结构图案包括围绕所述柱状结构图案并与所述柱状结构图案间隔开的圆环状牺牲结构图案，或者所述牺牲结构图案包括围绕在所述柱状结构图案的两侧的两个半圆环状牺牲结构图案，两个半圆环状牺牲结构图案与所述柱状结构图案间隔开并且两个半圆环状牺牲结构图案由两个间隙分隔。

在一方面，所述牺牲结构包括围绕所述柱状结构并与所述柱状结构间隔开的圆环状牺牲结构，或者所述牺牲结构包括围绕所述柱状结构的两侧的两个半圆环状牺牲结构，两个半圆环牺牲状结构与所述柱状结构间隔开并且两个半圆环状牺牲结构由两个间隙分隔。

在一方面，对所述硅晶片进行等离子体刻蚀，所述等离子体刻蚀进行1600-1800次Bosch工艺循环，利用超声搅拌以去除所述牺牲结构，同时保留所述柱状结构。

在一方面，所述硅晶片的一面上涂覆有光刻胶，所述光刻胶的厚度为20-35μm。

在一方面，所述柱状结构的高度为400μm-600μm，所述柱状结构的外径为180μm-230μm，所述柱状结构的内部的孔的深度为265μm-560μm，所述孔的直径为75μm-100μm。

本发明还提供一种半导体结构，包括：

硅晶片；

光刻胶，所述光刻胶涂覆在所述硅晶片的一面，其中，所述光刻胶包括待刻蚀图案区域，所述待刻蚀图案区域包括无法被显影剂去除的至少一个柱状结构图案和对应的至少一个牺牲结构图案，牺牲结构图案至少部分地围绕柱状结构图案。

在一方面，所述牺牲结构图案包括围绕所述柱状结构图案并与所述柱状结构图案间隔开的圆环状牺牲结构图案，或者所述牺牲结构图案包括围绕在所述柱状结构图案两侧的两个半圆环状牺牲结构图案，两个半圆环状牺牲结构图案与所述柱状结构图案间隔开并且两个半圆环状牺牲结构图案由两个间隙分隔。

本发明还提供一种半导体结构，包括：

硅晶片；

光刻胶，所述光刻胶涂覆在所述硅晶片的一面，并覆盖至少一个柱状结构和对应的至少一个牺牲结构；

位于硅晶片上的至少一个柱状结构；

位于硅晶片上的至少部分地围绕至少一个柱状结构的至少一个牺牲结构。

在一方面，所述牺牲结构包括围绕所述柱状结构并与所述柱状结构间隔开的圆环状牺牲结构，或者所述牺牲结构包括围绕所述柱状结构两侧的两个半圆环状牺牲结构，两个半圆环状牺牲结构与所述柱状结构间隔开并且两个半圆环状牺牲结构由两个间隙分隔。。

根据本发明的刻蚀方法和半导体结构，环形的牺牲结构可保护柱状结构的侧壁不遭受横向刻蚀，从而确保垂直侧壁。同时，由于现在牺牲结构暴露于等离子体并因此经历严重的横向刻蚀，因此其被减薄并可在刻蚀工艺期间或之后被移除，留下具有几乎垂直侧壁的所需环形的柱状结构。

附图说明

图1示出了现有技术中的刻蚀宽间距微柱的负锥效应。

图2示出了采用无牺牲结构刻蚀得到的柱状结构。

图3a和图3b分别示出了圆环状结构图案和两个半圆环状结构图案的牺牲结构图案的示意性图像。

图4a至图4d分别示出了根据本发明一实施例的采用圆环状的牺牲结构来刻蚀的柱状结构，其中，图4a表示带有圆环状的牺牲结构的柱状结构的俯视图，图4b表示超声波搅拌后圆环状的牺牲结构已被打断的柱状结构的俯视图，图4c表示超声波搅拌后，原本带有圆环状的牺牲结构的柱状结构的侧视图，图4d表示在刻蚀结束时或结束前牺牲结构已消失的柱状结构的侧视图。

图5a至图5f示出了根据本发明一实施例的采用两个半圆环状的牺牲结构来刻蚀的空心的柱状结构，其中，图5a表示在采用Bosch工艺处理1600个周期后的带有两个半圆环状的牺牲结构的柱状结构的俯视图，图5b表示在采用Bosch工艺处理1800个周期后的柱状结构的俯视图，图5c表示在采用Bosch工艺处理1600个周期后的带有牺牲结构的柱状结构的侧视图，图5d表示在采用Bosch工艺处理1800个周期后的柱状结构的侧视图，图5e表示刻蚀后获得的柱状结构的侧视图，显示刻蚀的均匀性，图5f表示刻蚀后获得的柱状结构的中心的孔结构的侧视图。

附图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。在附图中，贯穿不同的视图，相似的附图标记表示相应的部分。

具体实施方式

本说明不意图以任何方式限制本发明的范围，因为它本质上是示例性的，用于描述发明人在本申请日已知的最佳发明模式。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本文所公开的示例性实施例中描述的任何元素的布置和/或功能进行改变。

本发明的方法涉及大间距高深宽比环形支柱的制造，即空心的柱状结构。为了减少深反应离子刻蚀期间对柱状结构的横向刻蚀，本申请提出在柱状结构周围添加牺牲结构，以使横向刻蚀主要发生在牺牲结构上。具体地，本发明提出一种刻蚀方法，包括在柱状结构周围添加牺牲结构，如图3a和3b所示。这些周围的牺牲结构可以保护柱状结构的侧壁免受侧向刻蚀，从而确保柱状结构的几乎垂直的侧壁。同时，由于现在牺牲结构暴露于等离子体并因此经历严重的横向刻蚀，其可以被减薄，并且可以在刻蚀过程期间或之后被去除，从而留下具有几乎垂直侧壁的期望的环形的柱状结构。

在本发明另一实施方式中，还提供了一种半导体结构，该半导体结构包括：硅晶片；光刻胶，光刻胶涂覆在硅晶片的一面，其中，光刻胶包括待刻蚀图案区域，待刻蚀图案区域包括无法被显影剂去除的至少一个柱状结构图案和对应的至少一个牺牲结构图案，牺牲结构图案至少部分地围绕柱状结构图案。可选地，牺牲结构图案包括围绕柱状结构图案31并与柱状结构图案31间隔开的圆环状牺牲结构图案32，如图3a所示，或者牺牲结构图案包括围绕柱状结构图案31的两侧的两个半圆环状牺牲结构图案33，两个半圆环状牺牲结构图案33与柱状结构图案31间隔开并且两个半圆环状牺牲结构图案33由两个间隙34分隔，如图3b所示。

在本发明再一实施方式中，还提供了一种半导体结构，该半导体结构包括：硅晶片；光刻胶，光刻胶涂覆在所述硅晶片的一面，并覆盖至少一个柱状结构和对应的至少一个牺牲结构；位于硅晶片上的至少一个柱状结构；位于硅晶片上的至少部分地围绕至少一个柱状结构的至少一个牺牲结构。可选地，牺牲结构包括围绕柱状结构并与柱状结构间隔开的圆环状牺牲结构，如图4a所示，或者牺牲结构包括围绕柱状结构的两侧的两个半圆环状牺牲结构，两个半圆环状牺牲结构与柱状结构间隔开并且两个半圆环状牺牲结构由两个间隙分隔，如图5a所示。

根据本发明一较佳实施例的刻蚀方法至少包括以下步骤。

步骤1、将硅晶片浸入丙酮中，硅晶片例如是4英寸的p型硼掺杂的1-30Ω·cm的硅晶片。

步骤2、将浸入丙酮中的硅晶片取出，并随后用异丙醇(IPA)冲洗，再用例如氮气的气体吹干，并用例如氧等离子体清洗。

步骤3、在硅晶片的一面上旋涂光刻胶，例如HTF-4025G负性光刻胶，该光刻胶例如是中国的Hantop光刻胶，旋涂的光刻胶的厚度例如约为20-35μm，例如约为23-30μm，例如约为27μm。其中，由于将要采用的牺牲结构，光刻胶需要有一定量的厚度。

步骤4、利用无掩模激光直写机在涂覆有光刻胶的硅晶片上进行紫外(UV)直写，将计算机上设计的GDS-II掩膜文件转移到硅晶片上的光刻胶上，得到预定图案，所述预定图案如图3a和图3b所示，其中包括至少一个柱状结构图案和其周围的相应的至少一个牺牲结构图案。无掩模激光直写机例如是德国海德堡MLA DWL66+型激光直写机，当然也可以是其他任何合适的直写机。操作时，可以采用例如405nm激光，功率例如为260mW。作为替换方式，可以使用光刻对准机，例如SUSS MA6，配合光刻板完成该步骤。首先，光刻板上设置有包括柱状结构图案与牺牲结构图案的预定图案，其余部分被金属，例如铬，所覆盖。而后，使得由光刻机产生的垂直于硅晶片表面入射的紫外光穿过光刻板，紫外光穿过光刻版后将硅晶片表面的待去除的光刻胶曝光，由此将预定图案转移到光刻胶上。光刻操作时，可以使用例如功率8mW，波长375nm的紫外灯，曝光时间例如为60秒。

牺牲结构图案包括围绕柱状结构图案并与柱状结构图案间隔开的圆环状牺牲结构图案，或者牺牲结构图案包括围绕柱状结构图案的两个半圆环状牺牲结构图案，该两个半圆环状牺牲结构图案与柱状结构图案间隔开并由两个间隙分隔开。当然，也可以包括更多个间隙。由至少一个柱状结构图案限定的柱状结构和由至少一个牺牲结构图案限定的牺牲结构无法被显影剂去除。柱状结构图案的外直径为160μm-220μm，例如170μm-210μm，例如180μm、190μm、200μm，内直径为60μm-100μm，例如70μm-90μm，例如80μm。如图3a所示的圆环状牺牲结构图案和如图3b所示的半圆环状牺牲结构图案，其宽度例如为20μm-35μm，例如25μm、27μm、30μm、32μm。牺牲结构图案与柱状结构图案间隔开，具体地，牺牲结构图案的内侧与柱状结构图案的外侧之间间隔开一距离，所述间隔开的距离为90μm-110μm，例如95μm、98μm、100μm、103μm、105μm。

步骤5、将经过直写曝光后的硅晶片浸入显影剂溶液进行显影，例如，浸入加添加剂的2.38％TMAH或任何合适的显影剂中预定时间，例如5分钟，来进行显影。在显影过程中，若使用的光刻胶为正性光刻胶，则曝光的可溶解区域的光刻胶与显影剂溶液发生反应；若使用的光刻胶为负性光刻胶，则未曝光的可溶解区域的光刻胶与显影剂溶液发生反应，仅留下多个柱状结构图案和多个牺牲结构图案，由此形成柱状结构图案的阵列以及围绕柱状结构图案的牺牲结构图案的阵列。该牺牲结构图案可以为环形或者两个半环形的图案。

步骤6、对带有牺牲结构的硅晶片进行深反应离子刻蚀(Deep Reactive IonEtching，简称DRIE)。然后在去离子水中超声搅拌约4-5分钟后，去除剩余的牺牲结构，制备具有期望的垂直侧壁的高深宽比的环形的柱状结构。

具体地，对步骤5之后得到的硅晶片进行深反应离子刻蚀，刻蚀共进行例如1600-1800次Bosch工艺循环，也可以例如是1650次、1700次、1750次，也可以更低或更高，例如1580次、1820次等，当然也可以根据需要和柱状结构的尺寸进行适应性的更改。Bosch工艺可以完成各向异性刻蚀，即可以有选择性地刻蚀，不仅其对光刻胶的刻蚀速率远低于对硅的刻蚀速率(例如对光刻胶的刻蚀速率仅为对硅的刻蚀速率的十分之一、十五分之一、二十分之一等)，还使垂直方向的刻蚀速率远高于水平方向。而采用本实施例的牺牲结构，可以更进一步地降低柱状结构水平方向的刻蚀速率，从而可以使柱状结构侧壁尽可能地保持竖直。而牺牲结构由于水平方向的刻蚀，其底部厚度随着刻蚀的进行而降低，从而会自行脱落或通过去离子水超声搅拌工艺使其脱落。

由于中空微针需要采用柱状结构，其使用的环柱的高度通常为400μm-600μm，外径约为180μm-230μm，其一般形成为环形结构，内部带有孔，以便中空微针穿透薄表皮层而不到达真皮中的神经末梢或毛细血管。内部的孔的直径约为75μm-100μm。例如，采用本发明一较佳实施例的刻蚀方法，所制造的柱状结构的高度约为450μm，外径约为200μm。在柱状结构的中心图案化孔形成环状，孔的直径为约80μm。同时在经过刻蚀之后，形成多个柱状结构，多个柱状结构形成2D阵列，该2D阵列例如是具有600μm行间距和1400μm列间距的2D阵列，也可以是任何合适的行间距和列间距的2D阵列。

在进行DRIE后，可以利用扫描电子显微镜(SEM)观察硅晶片上经刻蚀后的柱状结构的形貌和参数。

具体的，如果采用无牺牲结构的硅晶片进行DRIE处理，则得到如图2所示的柱状结构。

根据本发明一较佳实施例的刻蚀方法中，步骤5中的牺牲结构可以为圆环状结构，如图4a所示，在刻蚀时，该牺牲结构会被倒下，从而维护其内部的柱状结构。步骤5中的牺牲结构也可以为两个半圆环状结构，如图5a所示，该两个半圆环状结构之间具有两个小间隙，间隙约为15μm-25μm，17μm-22μm，例如为20μm。两个半圆环结构的优势在于，在由于横向刻蚀而蚀穿牺牲结构的下部时，两个半圆环状结构将倾向于向远离柱状结构的方向倒下而不是向靠近柱状结构的方向倒下，或者由于两个半圆环状结构不是连接的而更容易通过超声搅动来断开。该刻蚀方法中，提供这两种牺牲结构，有助于制造具有垂直侧壁的柱。

根据本发明，一较佳实施例的刻蚀方法为步骤6中，采用感应耦合等离子体反应离子刻蚀机(ICP-RIE)进行硅晶片上的柱状结构的各向异性刻蚀。例如，可以使用OxfordInstruments PlasmaLab System 100刻蚀机通过Bosch DRIE工艺来制造柱状结构。

Bosch工艺是深反应离子刻蚀应用中普遍采用的工艺，Bosch工艺的特点是在各向同性Si刻蚀和各向同性聚合之间有规律的切换，并且每个Si刻蚀步骤仅需要相对较小的各向异性，主要是在每个Si刻蚀步骤的开始。基于刻蚀和钝化交替进行，将一个刻蚀循环分解为两个基本子过程：碳氟聚合物沉积、钝化层，然后硅的刻蚀。尽管单独的刻蚀步骤本身可以是各向同性的，但是由于交替的刻蚀和聚合步骤，在衬底中刻蚀的结构具有高各向异性。硅衬底还具有钝化层(例如氧化物)，先前提到的重复钝化步骤还导致在衬底上沉积另外的钝化层或聚合物层。

Bosch工艺涉及反应离子刻蚀和碳氟聚合物沉积的交替和重复组合以在硅衬底中产生深沟槽、空腔或TSV(硅通孔)，气体C₄F₈可用于聚合物沉积并且刻蚀气体SF₆用于实际的Si刻蚀。

根据本发明一实施例的Bosch工艺的具体实施参数列于表1中，其中碳氟聚合物沉积，即钝化，被分成了两个子步骤，即钝化1和钝化2，其中还示出了RF频率为13.56MHz的DRIE刻蚀工艺中所采用的示例性参数。在该实施例中，该DRIE工艺被配置用于4英寸晶片。为了将晶片的温度保持在恒定值，例如恒定为15℃，晶片被夹持并在工艺过程中在背面通过持续的氦气达到冷却的效果。

表1

柱状结构是用Bosch工艺在4英寸硅晶片上刻蚀形成的。在没有牺牲结构的情况下所得到的柱状结构如图2所示，其按照表1所示的参数执行Bosch工艺的1600次循环-1800次循环后形成，也可以是1650次循环、1700次循环、1750次循环或稍高的1820次循环等等，而后可以通过拍摄SEM图像以观察牺牲结构。在没有牺牲结构的情况下，得到的刻蚀后的柱状结构例如约397微米高。柱状结构的外径在顶部约为200微米，基本上与设计的直径相同。然而，柱状结构形成了一个倒锥形的轮廓，该倒锥形的侧壁与水平面之间角度约为45°-75°，在柱状结构的下部，直径例如减少到约96微米。该倒锥形的侧壁相对于水平面的角度约为62.5°。由此可见，在无牺牲结构的情况下，通过Bosch工艺过程中在柱状结构的底部形成了巨大横向刻蚀缺口。

图4a-图4b显示了刻蚀后的样品的俯视图。如图4a所示，示出了带有圆形的牺牲结构的柱状结构的俯视图。在刻蚀之前，大部分的牺牲结构仍然留在样品上。而后，在去离子水中超声搅拌5分钟后，剩余的牺牲结构很容易被去除，如图4b所示。在超声波清洗的帮助下，牺牲结构会更容易去除。例如，本实施例中的柱状结构被刻蚀成具有几乎垂直的侧壁，例如，柱状结构的高度为约400μm-600μm，或约420μm-550μm，或约440μm-500μm，或约460μm-485μm，或约465μm-475μm，其高度例如约470μm，其被刻蚀成几乎垂直的侧壁，侧壁角例如是89.2°。如图4c所示，经过超声波搅拌后，原本位于柱状结构周围的环形牺牲结构被去除，刻蚀后的柱状结构的外径约为150μm-250μm，或170μm-230μm、或190μm-210μm，例如195μm、198μm、200μm、202μm、或205μm，本实施例中，刻蚀后的柱状结构的下方的最窄的部分的直径约为185μm，而刻蚀后的柱状结构的顶部的直径约为170μm-230μm、或190μm-210μm，例如195μm、197μm、200μm。同时，柱状结构可以具有沿其纵向轴线延伸的孔，该孔的深度约265μm-460μm，或约290μm-440μm，或约320μm-390μm，或约340μm-385μm，或约360μm-375μm，例如约为370μm，孔的直径约为50μm-130μm，或约为60μm-120μm，或约为70μm-100μm，例如约为80μm，深宽比约为4.63。由图4c可见，其示出了采用牺牲结构后横向刻蚀对于柱状结构的影响几乎可以忽略不计。此外，在柱状结构的底部还有一个较宽的部分，如图4d示出的在刻蚀结束前或结束时牺牲结构已消失的柱状结构。这是由环形的牺牲结构和柱状结构之间的狭窄间隙内的ARDE效应引起的。此外，一旦牺牲结构在Bosch过程中被去除，横向刻蚀将迅速发生，使得侧壁角稍微减小，例如只有约20微米的额外刻蚀可能将使侧壁角从89.2°减少到87.1°。

由此可见，当牺牲结构的宽度对于给定的刻蚀条件设计得很好时，牺牲结构可以在具有清洁表面的工艺之后通过超声搅拌去除，因为该牺牲结构已经被横向刻蚀削弱。根据本发明一较佳实施例的方法，得到的柱状结构的高度约为470μm，直径约为200μm，深宽比约为2.35，并且柱状结构具有孔，该孔的深度约为370μm，直径约为80μm，深宽比约为4.63。

或者牺牲结构包括围绕柱状结构的两侧的两个半圆环状牺牲结构，两个半圆环状牺牲结构与柱状结构间隔开并且两个半圆环状牺牲结构由两个间隙分隔。

图5a至图5f示出了根据本发明一实施例的采用两个半圆环状的牺牲结构刻蚀的空心的柱状结构，其中柱状结构的外侧设置两个半圆环状的牺牲结构。在该实施例中，通过Bosch工艺进行了1800次循环，以刻蚀例如约470微米高的柱状结构，其侧壁垂直且光滑。如图5a所示，在通过Bosch工艺进行了1600次循环之后，牺牲结构有可能仍然有部分留在样品上。而后，延长Bosch工艺后，例如进行到1800次循环之后，牺牲结构则几乎被完全去除，如图5b所示。这与如图4a-4d所示的单个圆环结构不同，表明两个半圆环状牺牲结构的削弱比单圆结构快，这是因为两个间隙稍微加速了牺牲结构的横向刻蚀。因为自由基，例如氟，可以通过间隙扩散到柱状结构和牺牲结构之间的区域。Bosch循环的次数也可以是1650次循环、1700次循环、1750次循环或稍高的1820次循环等等，当然也可以根据需要和柱状结构的尺寸进行适应性的更改。对于其余的牺牲结构，如图5c所示，Bosch工艺大约1600个周期后，牺牲结构的弱化首先发生在两个半圆之间的间隙附近。随着连续的刻蚀过程，牺牲结构的底层部分变薄的速度更快。如图5d所示，Bosch工艺大约1800个周期后得到柱状结构，此时牺牲结构的底层部分太薄，无法支撑半圆，结构就会断裂。本实施例中，得到的柱状结构的高度为约400μm-600μm，或约420μm-550μm，或约430μm-500μm，或约450μm-485μm，或约460μm-475μm，其高度例如约470μm，柱状结构的外径约为150μm-250μm，例如约170μm-230μm，约190μm-210μm，例如约195μm、约198μm、约200μm、约202μm、约205μm，柱状结构可以具有沿其纵向轴线延伸的孔，孔的内径约为50μm-130μm，或约为60μm-120μm，或约为70μm-100μm，例如约为84μm，与设计的200μm和80μm的偏差可以忽略不计。在本实施例中，柱状部分的最窄的部分是193μm，略小于柱状结构的外径，表明侧壁相对于水平面的角度是约89.7°。如图5e所示，利用本实施例的刻蚀的均匀性也很好，因为柱状结构的高度和侧壁轮廓几乎相同。此外，表面仍然是干净的。如图5f所示，对于柱状结构的中心的孔同时进行刻蚀，孔直径例如约为83μm，而顶部位置处的孔直径例如约为84μm，表明侧壁几乎垂直。洞底保持平坦。同时，由于ARDE效应，孔的深度约为370μm，小于引起的470μm柱高度。

由此可见，单个圆环状的牺牲结构和两个半圆环状的牺牲结构都可以减少横向刻蚀，这对于刻蚀高深宽比的空心柱状结构是至关重要的。

利用本发明的刻蚀方法，在圆环状或半圆环状的牺牲结构的帮助下，通过使用Bosch工艺的深度RIE，可以制造具有良好均匀性的高深宽比环形(即空心)柱状结构的阵列。在没有牺牲结构的情况下，刻蚀后的柱状结构呈角度很大的负锥形，剖面角可以到达约62.5°。而利用本发明的方法提出的牺牲结构，可以实现高度约为470μm、外径约为200μm、侧壁几乎垂直(例如大于89°)的刻蚀的柱状结构。本发明提出了两种牺牲结构，即圆环状的牺牲结构和两个中间有空隙的半圆环状的牺牲结构，这两种牺牲结构可以有效地减少Bosch过程中的横向刻蚀，保证侧壁的垂直。此外，牺牲结构可以在刻蚀过程后用超声波搅拌的方式轻松去除，使该工艺在空心微针的制造中变得实用。

本说明书中使用的“包含”一词是指“至少部分包含”。在解释本说明书中包含“包括”一词的每条陈述时，也可能存在除此以外或以该词开头的特征。诸如“包含”和“包含”等相关术语应以相同的方式解释。

对于本发明所属领域的技术人员而言，在不背离所附权利要求书所限定的本发明范围的前提下，本发明在结构上的许多变化以及本发明的广泛不同的实施方式和应用将是显而易见的。本文的公开内容和描述纯粹是说明性的，并且在任何意义上都不旨在进行限制。在本文中提及具有与本发明相关的领域中的已知等同物的特定整数时，这些已知等同物被视为结合在本文中，如同单独阐述一样。

如本文所用，术语“和/或”是指“和”或“或”或两者。

在本说明书的描述中，可以参考不在所附权利要求的范围内的主题。该主题应被本领域技术人员容易地识别，并且可以有助于将如所附权利要求书中所定义的本发明付诸实践。

尽管本发明大致上如上所定义，但是本领域技术人员将理解，本发明不限于此，并且本发明还包括以下实施例给出示例的实施方式。

本发明的前述描述包括其优选形式。在不脱离本发明的范围的情况下可以对其进行修改。

Claims (10)

1.一种硅晶片的刻蚀方法，其特征在于，包括：

提供硅晶片；

将所述硅晶片的一面涂覆光刻胶；

对所述硅晶片进行紫外直写或者利用光刻对准机进行紫外曝光并利用具有图案的光刻板，使得所述光刻胶形成待刻蚀图案区域，所述待刻蚀图案区域包括无法被显影剂去除的至少一个柱状结构图案和对应的至少一个牺牲结构图案，牺牲结构图案至少部分地围绕柱状结构图案；

对所述硅晶片进行显影处理，保留所述柱状结构图案以及围绕柱状结构的所述牺牲结构图案；

对所述硅晶片进行干性刻蚀，去除由所述牺牲结构图案限定的牺牲结构并保留由所述柱状结构图案限定的柱状结构，

其中，所述干性刻蚀为等离子刻蚀。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述牺牲结构图案包括围绕所述柱状结构图案并与所述柱状结构图案间隔开的圆环状牺牲结构图案，或者所述牺牲结构图案包括围绕在所述柱状结构图案的两侧的两个半圆环状牺牲结构图案，两个半圆环状牺牲结构图案与所述柱状结构图案间隔开并且两个半圆环状牺牲结构图案由两个间隙分隔。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述牺牲结构包括围绕所述柱状结构并与所述柱状结构间隔开的圆环状牺牲结构，或者所述牺牲结构包括围绕所述柱状结构的两侧的两个半圆环状牺牲结构，两个半圆环牺牲状结构与所述柱状结构间隔开并且两个半圆环状牺牲结构由两个间隙分隔。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，对所述硅晶片进行等离子体刻蚀，所述等离子体刻蚀进行1600-1800次Bosch工艺循环，利用超声搅拌以去除所述牺牲结构，同时保留所述柱状结构。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述硅晶片的一面上涂覆有光刻胶，所述光刻胶的厚度为20-35μm。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述柱状结构的高度为400μm-600μm，所述柱状结构的外径为180μm-230μm，所述柱状结构的内部的孔的深度为265μm-560μm，所述孔的直径为75μm-100μm。

7.一种半导体结构，其特征在于，包括：

硅晶片；

光刻胶，所述光刻胶涂覆在所述硅晶片的一面，其中，所述光刻胶包括待刻蚀图案区域，所述待刻蚀图案区域包括无法被显影剂去除的至少一个柱状结构图案和对应的至少一个牺牲结构图案，牺牲结构图案至少部分地围绕柱状结构图案。

8.根据权利要求7所述的半导体结构，其特征在于，所述牺牲结构图案包括围绕所述柱状结构图案并与所述柱状结构图案间隔开的圆环状牺牲结构图案，或者所述牺牲结构图案包括围绕在所述柱状结构图案两侧的两个半圆环状牺牲结构图案，两个半圆环状牺牲结构图案与所述柱状结构图案间隔开并且两个半圆环状牺牲结构图案由两个间隙分隔。

9.一种半导体结构，其特征在于，包括：

硅晶片；

光刻胶，所述光刻胶涂覆在所述硅晶片的一面，并覆盖至少一个柱状结构和对应的至少一个牺牲结构；

位于硅晶片上的至少一个柱状结构；

位于硅晶片上的至少部分地围绕至少一个柱状结构的至少一个牺牲结构。

10.根据权利要求9所述的半导体结构，其特征在于，所述牺牲结构包括围绕所述柱状结构并与所述柱状结构间隔开的圆环状牺牲结构，或者所述牺牲结构包括围绕所述柱状结构两侧的两个半圆环状牺牲结构，两个半圆环状牺牲结构与所述柱状结构间隔开并且两个半圆环状牺牲结构由两个间隙分隔。