硅基三维结构的双面对准光刻加磁场辅助电化学腐蚀的方法

摘要

本发明是一种硅基三维结构的双面对准光刻加磁场辅助电化学腐蚀的方法，该方法包括双面对准光刻硅片、预腐蚀坑、配置腐蚀液、电化学腐蚀前的准备、电化学腐蚀的实施及后处理步骤，其中：在预腐蚀坑过程中，是将双面对准光刻的硅片放入摩尔浓度为5～8的KOH溶液中，80-100℃下预腐蚀5-10分钟，然后按照工艺要求，在硅片的双面腐蚀出3-6微米深度的预腐蚀坑。本发明具有实用性强、工艺简单、易于操作性等优点，尤其是硅片经过双面对准光刻和预腐蚀一定深度的预腐蚀坑后，可使电化学腐蚀时的电流被限制在双面对准图形开口区域，抑制和消除边缘效应的产生，从而增加三维周期结构的陡直性。

说明书

技术领域

本发明涉及材料科学和电化学领域，特别是涉及一种硅基三维结构的双面对准光刻加磁场辅助电化学腐蚀的方法。

背景技术

电化学腐蚀技术是近几年发展起来的新兴硅基三维结构加工技术，电化学深腐蚀硅微结构以空穴耗尽为基础。由于电化学腐蚀过程与空穴的分布有密切的关系，由空间电荷区(SCR)模式，电化学刻蚀强烈地依赖于空穴的产生及其在尖端周围的分布。因为对于间距较大的图形，由于图形与图形之间存在较大的间隔，在这些区域里，由于这些间隔的尺寸往往要比图形内部孔与孔之间的距离大，图形区正面接触腐蚀液，空穴在硅片背面向正面扩散，电子空穴速度大小和方向不断地改变着，在扩散过程中并不是全部从图形窗口垂直穿出，而是不停地散射到各个方向上，所以空间耗尽层往往不能够覆盖这些区域，即这些区域的载流子不能被耗尽，在这种情况下由背面进入的空穴能够扩散到图形之间的区域，未耗尽空穴到达SiO₂绝缘掩蔽层处不能穿出而在绝缘掩膜处积累使电场分布不均，电场分布的突变会导致空穴从结构的侧壁边界注入，分布在刻蚀液与图形交界的周围，图形间未耗尽空穴最终泄漏到图形开口处与腐蚀液发生电化学反应，产生边缘效应，使侧壁被腐蚀，造成侧壁不陡直。所以电化学腐蚀很难得到20-300μm的大间距陡直的三维周期结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种硅基三维结构的双面对准光刻加磁场辅助电化学腐蚀的方法，使电流被限制在双面对准光刻并经预腐蚀坑后形成的图形开口区域，抑制和消除边缘效应的产生，从而增加三维周期结构的陡直性。该方法能够实现间距为20-300μm的大间距周期性圆孔结构、凸角结构和台状结构等陡直的三维周期结构。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的硅基三维结构的双面对准光刻加磁场辅助电化学腐蚀的方法，其包括以下步骤：

(1)双面对准光刻硅片：利用光刻机和图形掩模将硅片进行双面对准光刻，将掩模图形转移到硅片的双面上；

(2)预腐蚀坑：将双面对准光刻的硅片放入摩尔浓度为5～8的KOH溶液中，80-100℃下预腐蚀5-10分钟；按照工艺要求，在硅片的双面腐蚀出3-6微米深度的预腐蚀坑；

(3)配置腐蚀液：将HF、DMF和水混合，组成三者的体积比为(2.5～3.5)∶(14～18)∶1的腐蚀液作为负极腐蚀液，其中，HF为体积浓度40％的氢氟酸，DMF为体积浓度99.5％的二甲基甲酰胺；将体积浓度96％的分析纯NH₄F、体积浓度40％的HF和水混合，组成三者的体积比为3∶6∶10的氢氟酸缓冲腐蚀液作为正极腐蚀液；

(4)电化学腐蚀前的准备：

将双槽腐蚀设备置于通风橱内，再将配置好的腐蚀液分别加入两侧腐蚀槽中，连接好两对电极；

磁场配置：将磁场方向垂直100晶向，同时与电场方向垂直；该磁场方向定为x轴。

将光刻好并经预腐蚀坑的的硅片装入所述腐蚀槽中；

(5)电化学腐蚀的实施：按照工艺要求，在腐蚀液、0.01～0.08A电流及磁场的协同作用下对光刻好并经预腐蚀坑的的硅片进行电化学腐蚀；

(6)后处理：电化学腐蚀结束后将硅片取下用去离子水冲洗干净，然后进行烘干；

经过上述步骤，得到硅基三维结构的产品。

上述步骤中：

所述的掩模图形的形状可以为圆形、方形、正方形、棱形或等边梯形阵列。

本发明可以由以下方法配置负极腐蚀液：将HF、DMF和水的混合，组成三者的体积比为3∶16∶1的腐蚀液。

所述磁场可以为10～100mT强度的磁场，其优选值为72mT。

所述工艺要求是指：采用0.01～0.08A的直流电流，其优选值为0.04A。腐蚀时间为100～300分钟，其优选值为120分钟。腐蚀深度为30～100微米，其优选值为68微米。腐蚀间距为20～300微米，其优选值为300微米。

本发明与传统的硅基三维结构电化学腐蚀的方法相比主要有以下的优点：

其一.工艺简单：避免了在硅片背面镀导电金属层，减小了工艺难度，有益于体硅加工工艺与IC工艺的兼容性。

其二.实用性强：很好地解决了间距为20～300μm的大间距周期性圆碗结构、凸角结构和台状结构的腐蚀问题，并且刻蚀深度可以达到30～100微米深。

其三.硅片经过双面对准光刻和预腐蚀一定深度的预腐蚀坑后，使电化学腐蚀时的电流被限制在双面对准图形开口区域，抑制和消除边缘效应的产生，从而增加三维周期结构的陡直性。

其四.可操作性强：

由于磁场的存在，能够抑制横向电流从而能够阻止分叉结构，所以通过控制空穴的分布就可以很好的对电化学腐蚀过程进行控制。

基于霍尔效应的设计原理，磁场方向垂直(100)晶向(将该方向定为x轴)同时与电场方向垂直。光刻图形间距为20-300μm，掩模图形分别为圆形、方形、正方形、棱形或等边梯形等不同形状阵列。将双槽电化学腐蚀装置置于垂直磁场中，磁场强度大小由电磁铁提供，用特斯拉计测电磁铁的磁感应强度，通过调节电磁铁线圈通电电流来控制磁场强度大小。

具体实施方式

本发明提供一种硅基三维结构双面对准光刻加磁场辅助电化学腐蚀的方法，该方法是一种改进电化学腐蚀硅基三维结构大间距图形陡直性的方法，是一种有别于现有技术的硅基三维结构电化学腐蚀的方法。具体是：采用双槽腐蚀装置(又称容器)，将双面氧化的硅片通过双面对准光刻出双面图形，光刻后将样品放在摩尔浓度为5-8M KOH溶液中80-100℃加热预腐蚀5-10min，在硅片的双面腐蚀出深度为3-6微米的预腐蚀坑，目的是在图形背面和正面形成电流唯一通过的窗口，其余地方通过绝缘SiO₂膜绝缘，从而使电流只从图形区进入和流出，而在非图形区无电流通过。然后将预腐蚀过的硅片装入该容器的槽的孔内；容器由耐酸耐碱的聚四氟乙烯材料制成。密封圈和固定槽之间将整个容器完全分隔为两个部分，两侧各放置石墨电极，两个石墨电极分别接直流稳压源的正极和负极，用螺钉拧紧固定两腐蚀槽，以免漏液。负极腐蚀液由不同配比的体积浓度40％HF与体积浓度99.5％DMF和水的混合腐蚀液组成，组成三者的体积比为(2.5～3.5)∶(14～18)∶1的腐蚀液；正极腐蚀液是将体积浓度96％的分析纯NH4F、体积浓度40％的HF和水混合，组成三者的体积比为3∶6∶10的氢氟酸缓冲腐蚀液。两端加上可调节的腐蚀电流，电流经溶液穿过硅片。这样，正对负电极的硅片成为电化学反应的阳极，进行阳极氧化反应，也即电化学腐蚀反应。同时，在垂直电流方向加上磁场。外加磁场进一步抑制了电流的偏转。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

将经双面对准光刻和预腐蚀坑后已形成图形窗口为圆形、方形、正方形、棱形或等边梯形阵列的样品装入腐蚀槽中，腐蚀电流为0.01-0.08A，最终腐蚀为完好凸角结构，该方法不需要在掩模版上附加任何补偿块，腐蚀过程可控性好；图形不受晶格和腐蚀时间限制，可以加工任意形状的微结构；图形转移时无需晶向对准，简化了操作步骤。

实施例1：

利用方形阵列掩模双面对准光刻为方形阵列的含SiO₂掩蔽层的N型Si(100)样品经过预腐蚀10分钟后装入腐蚀槽中，方形窗口边长为300μm，间距也为300μm，垂直磁场强度63mT，腐蚀电流0.04A，腐蚀时间150min，图形上部为完好的方形，整个图形棱角分明，凸角完好，呈四棱台状，腐蚀深度约为71um。

实施例2：

利用方形阵列掩模双面对准光刻为方形阵列的含SiO₂掩蔽层的N型Si(100)样品经过预腐蚀5分钟后装入腐蚀槽中，方形窗口边长为100μm，间距也为100μm，垂直磁场强度63mT，腐蚀电流0.05A，腐蚀时间100min，图形上部为完好的方形，整个图形棱角分明，凸角完好，呈四棱台状，腐蚀深度约为53um。

实施例3：

腐蚀条件是63mT垂直磁场强度，腐蚀时间为190min，腐蚀电流0.04A，其他条件同实施例1，增加腐蚀时间，台面高度增加。

实施例4：

利用圆形阵列掩模双面对准光刻为圆形阵列的含SiO₂掩蔽层的N型Si(100)样品经过预腐蚀10分钟后装入腐蚀槽中，圆形直径为100μm，间距为300μm，垂直磁场强度72mT，腐蚀电流0.04A，腐蚀时间190min，图形上部为完好的圆形，整个图形棱角分明，凸角完好，呈类圆拄状腐蚀深度约为90um。

实施例5：

利用圆形阵列掩模双面对准光刻为圆形阵列的含SiO₂掩蔽层的N型Si(100)样品经过预腐蚀6分钟后装入腐蚀槽中，圆形直径为50μm，间距为100μm，垂直磁场强度到72mT，腐蚀电流为0.04A，腐蚀时间190min，腐蚀深度较深，侧壁陡直性较好。从实验现象上看，总体趋势是随着磁场强度的增加，从0mT增加到72mT，腐蚀后硅侧壁陡直性有明显好转，表明双面对准光刻预腐蚀后外加磁场能够有效提高侧壁陡直性，说明双面对准光刻预腐蚀能起到限制通电区域的作用，垂直磁场能够在侧壁底部产生水平腐蚀速率，使侧壁底部腐蚀速率趋向于顶部腐蚀速率。

实施例6：

利用方形阵列掩模双面对准光刻为方形阵列的含SiO₂掩蔽层的P型Si(100)样品经过预腐蚀5分钟后装入腐蚀槽中，方形窗口边长为300μm，间距也为300μm，垂直磁场强度72mT，腐蚀电流0.04A，腐蚀时间120min，图形上部为完好的方形，整个图形棱角分明，凸角完好，呈四棱台状，腐蚀深度约为68um。

实施例7：

利用棱形阵列掩模双面对准光刻为棱形阵列的含SiO₂掩蔽层的P型Si(100)样品经过预腐蚀10分钟后装入腐蚀槽中，棱形窗口边长为100μm，间距也为300μm，垂直磁场强度72mT，腐蚀电流0.04A，腐蚀时间180min，图形上部为完好的棱形，整个图形棱角分明，凸角完好，呈棱形台状，腐蚀深度约为77um。

实施例8：

利用方形阵列掩模双面对准光刻为方形阵列的含SiO₂掩蔽层和N型外延层的P型Si(111)样品经过预腐蚀5分钟后装入腐蚀槽中，方形窗口边长为300μm，间距也为300μm，垂直磁场强度72mT，腐蚀电流0.02A，腐蚀时间300min，图形上部为完好的方形，整个图形棱角分明，凸角完好，呈四棱台状，腐蚀深度约为64um。

实施例9：

利用圆形阵列掩模双面对准光刻为圆形阵列的含SiO₂掩蔽层和N型外延层的P型Si(111)样品经过预腐蚀10分钟后装入腐蚀槽中，圆形直径为100μm，间距为300μm，垂直磁场强度72mT，腐蚀电流0.02A，腐蚀时间180min，图形上部为完好的圆形，整个图形棱角分明，凸角完好，呈近圆柱状，腐蚀深度约为43um。

本发明采用以下方法将得到硅基三维结构的产品利用扫描电子显微镜作表面和断面形貌观察和分析，以检验该产品的质量，该方法是：将得到硅基三维结构的产品表面和断面分别平放和垂直放在扫描电子显微镜的样品台上，之后放入扫描电子显微镜的样品架上，抽真空进行观察。