專利名稱：硅基三維結(jié)構(gòu)的雙面對(duì)準(zhǔn)光刻加磁場(chǎng)輔助電化學(xué)腐蝕的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料科學(xué)和電化學(xué)領(lǐng)域，特別是涉及一種硅基三維結(jié)構(gòu)的雙面對(duì)準(zhǔn)光 刻加磁場(chǎng)輔助電化學(xué)腐蝕的方法。
背景技術(shù)：
電化學(xué)腐蝕技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的新興硅基三維結(jié)構(gòu)加工技術(shù)，電化學(xué)深腐蝕 硅微結(jié)構(gòu)以空穴耗盡為基礎(chǔ)。由于電化學(xué)腐蝕過(guò)程與空穴的分布有密切的關(guān)系，由空間電 荷區(qū)(SCR)模式，電化學(xué)刻蝕強(qiáng)烈地依賴于空穴的產(chǎn)生及其在尖端周圍的分布。因?yàn)閷?duì)于 間距較大的圖形，由于圖形與圖形之間存在較大的間隔，在這些區(qū)域里，由于這些間隔的尺 寸往往要比圖形內(nèi)部孔與孔之間的距離大，圖形區(qū)正面接觸腐蝕液，空穴在硅片背面向正 面擴(kuò)散，電子空穴速度大小和方向不斷地改變著，在擴(kuò)散過(guò)程中并不是全部從圖形窗口垂 直穿出，而是不停地散射到各個(gè)方向上，所以空間耗盡層往往不能夠覆蓋這些區(qū)域，即這些 區(qū)域載流子不能被耗盡，在這種情況下由背面進(jìn)入的空穴能夠擴(kuò)散到圖形之間的區(qū)域， 未耗盡空穴到達(dá)SiO2絕緣掩蔽層處不能穿出而在絕緣掩膜處積累使電場(chǎng)分布不均，電場(chǎng)分 布的突變會(huì)導(dǎo)致空穴從結(jié)構(gòu)的側(cè)壁邊界注入，分布在刻蝕液與圖形交界的周圍，圖形間未 耗盡空穴最終泄漏到圖形開口處與腐蝕液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，使側(cè)壁被腐蝕， 造成側(cè)壁不陡直。所以電化學(xué)腐蝕很難得到20-300 μ m的大間距陡直的三維周期結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種硅基三維結(jié)構(gòu)的雙面對(duì)準(zhǔn)光刻加磁場(chǎng) 輔助電化學(xué)腐蝕的方法，使電流被限制在雙面對(duì)準(zhǔn)光刻并經(jīng)預(yù)腐蝕坑后形成的圖形開口區(qū) 域，抑制和消除邊緣效應(yīng)的產(chǎn)生，從而增加三維周期結(jié)構(gòu)的陡直性。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)間距為 20-300 μ m的大間距周期性圓孔結(jié)構(gòu)、凸角結(jié)構(gòu)和臺(tái)狀結(jié)構(gòu)等陡直的三維周期結(jié)構(gòu)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案本發(fā)明提供的硅基三維結(jié)構(gòu)的雙面對(duì)準(zhǔn)光刻加磁場(chǎng)輔助電化學(xué)腐蝕的方法，其包 括以下步驟(1)雙面對(duì)準(zhǔn)光刻硅片利用光刻機(jī)和圖形掩模將硅片進(jìn)行雙面對(duì)準(zhǔn)光刻，將掩 模圖形轉(zhuǎn)移到硅片的雙面上；(2)預(yù)腐蝕坑將雙面對(duì)準(zhǔn)光刻的硅片放入摩爾濃度為5 8的KOH溶液中， 80-100°C下預(yù)腐蝕5-10分鐘；按照工藝要求，在硅片的雙面腐蝕出3-6微米深度的預(yù)腐蝕 坑；(3)配置腐蝕液將HF、DMF和水混合，組成三者的體積比為(2. 5 3. 5) (14 18) 1的腐蝕液作為負(fù)極腐蝕液，其中，HF為體積濃度40%的氫氟酸，DMF為體積濃度 99. 5 %的二甲基甲酰胺；將體積濃度96 %的分析純NH4F、體積濃度40 %的HF和水混合，組 成三者的體積比為3 6 10的氫氟酸緩沖腐蝕液作為正極腐蝕液；
(4)電化學(xué)腐蝕前的準(zhǔn)備將雙槽腐蝕設(shè)備置于通風(fēng)櫥內(nèi)，再將配置好的腐蝕液分別加入兩側(cè)腐蝕槽中，連 接好兩對(duì)電極；磁場(chǎng)配置將磁場(chǎng)方向垂直100晶向，同時(shí)與電場(chǎng)方向垂直；該磁場(chǎng)方向定為X 軸O將光刻好并經(jīng)預(yù)腐蝕坑的的硅片裝入所述腐蝕槽中；(5)電化學(xué)腐蝕的實(shí)施按照工藝要求，在腐蝕液、0. 01 0. 08A電流及磁場(chǎng)的協(xié) 同作用下對(duì)光刻好并經(jīng)預(yù)腐蝕坑的的硅片進(jìn)行電化學(xué)腐蝕；(6)后處理電化學(xué)腐蝕結(jié)束后將硅片取下用去離子水沖洗干凈，然后進(jìn)行烘干；經(jīng)過(guò)上述步驟，得到硅基三維結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。上述步驟中所述的掩模圖形的形狀可以為圓形、方形、正方形、棱形或等邊梯形陣列。本發(fā)明可以由以下方法配置負(fù)極腐蝕液將HF、DMF和水的混合，組成三者的體積 比為3 16 1的腐蝕液。所述磁場(chǎng)可以為10 IOOmT強(qiáng)度的磁場(chǎng)，其優(yōu)選值為72mT。所述工藝要求是指采用0. 01 0. 08A的直流電流，其優(yōu)選值為0. 04A。腐蝕時(shí) 間為100 300分鐘，其優(yōu)選值為120分鐘。腐蝕深度為30 100微米，其優(yōu)選值為68微 米。腐蝕間距為20 300微米，其優(yōu)選值為300微米。本發(fā)明與傳統(tǒng)的硅基三維結(jié)構(gòu)電化學(xué)腐蝕的方法相比主要有以下的優(yōu)點(diǎn)其一.工藝簡(jiǎn)單避免了在硅片背面鍍導(dǎo)電金屬層，減小了工藝難度，有益于體硅 加工工藝與IC工藝的兼容性。其二.實(shí)用性強(qiáng)很好地解決了間距為20 300 μ m的大間距周期性圓碗結(jié)構(gòu)、凸 角結(jié)構(gòu)和臺(tái)狀結(jié)構(gòu)的腐蝕問題，并且刻蝕深度可以達(dá)到30 100微米深。其三.硅片經(jīng)過(guò)雙面對(duì)準(zhǔn)光刻和預(yù)腐蝕一定深度的預(yù)腐蝕坑后，使電化學(xué)腐蝕時(shí) 的電流被限制在雙面對(duì)準(zhǔn)圖形開口區(qū)域，抑制和消除邊緣效應(yīng)的產(chǎn)生，從而增加三維周期 結(jié)構(gòu)的陡直性。其四.可操作性強(qiáng)由于磁場(chǎng)的存在，能夠抑制橫向電流從而能夠阻止分叉結(jié)構(gòu)，所以通過(guò)控制空穴 的分布就可以很好的對(duì)電化學(xué)腐蝕過(guò)程進(jìn)行控制。基于霍爾效應(yīng)的設(shè)計(jì)原理，磁場(chǎng)方向垂直(100)晶向(將該方向定為χ軸)同時(shí) 與電場(chǎng)方向垂直。光刻圖形間距為20-300μπι，掩模圖形分別為圓形、方形、正方形、棱形或 等邊梯形等不同形狀陣列。將雙槽電化學(xué)腐蝕裝置置于垂直磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度大小由電磁 鐵提供，用特斯拉計(jì)測(cè)電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過(guò)調(diào)節(jié)電磁鐵線圈通電電流來(lái)控制磁場(chǎng)強(qiáng) 度大小。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種硅基三維結(jié)構(gòu)雙面對(duì)準(zhǔn)光刻加磁場(chǎng)輔助電化學(xué)腐蝕的方法，該方 法是一種改進(jìn)電化學(xué)腐蝕硅基三維結(jié)構(gòu)大間距圖形陡直性的方法，是一種有別于現(xiàn)有技術(shù) 的硅基三維結(jié)構(gòu)電化學(xué)腐蝕的方法。具體是采用雙槽腐蝕裝置(又稱容器)，將雙面氧化的硅片通過(guò)雙面對(duì)準(zhǔn)光刻出雙面圖形，光刻后將樣品放在摩爾濃度為5-8M KOH溶液中 80-100°C加熱預(yù)腐蝕5-lOmin，在硅片的雙面腐蝕出深度為3_6微米的預(yù)腐蝕坑，目的是在 圖形背面和正面形成電流唯一通過(guò)的窗口，其余地方通過(guò)絕緣SiO2膜絕緣，從而使電流只 從圖形區(qū)進(jìn)入和流出，而在非圖形區(qū)無(wú)電流通過(guò)。然后將預(yù)腐蝕過(guò)的硅片裝入該容器的槽 的孔內(nèi)；容器由耐酸耐堿的聚四氟乙烯材料制成。密封圈和固定槽之間將整個(gè)容器完全分 隔為兩個(gè)部分，兩側(cè)各放置石墨電極，兩個(gè)石墨電極分別接直流穩(wěn)壓源的正極和負(fù)極，用螺 釘擰緊固定兩腐蝕槽，以免漏液。負(fù)極腐蝕液由不同配比的體積濃度40% HF與體積濃度 99. 5% DMF和水的混合腐蝕液組成，組成三者的體積比為(2. 5 3. 5) (14 18) 1 的腐蝕液；正極腐蝕液是將體積濃度96%的分析純NH4F、體積濃度40%的HF和水混合，組 成三者的體積比為3 6 10的氫氟酸緩沖腐蝕液。兩端加上可調(diào)節(jié)的腐蝕電流，電流經(jīng) 溶液穿過(guò)硅片。這樣，正對(duì)負(fù)電極的硅片成為電化學(xué)反應(yīng)的陽(yáng)極，進(jìn)行陽(yáng)極氧化反應(yīng)，也即 電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。同時(shí)，在垂直電流方向加上磁場(chǎng)。外加磁場(chǎng)進(jìn)一步抑制了電流的偏轉(zhuǎn)。下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不限定本發(fā)明。將經(jīng)雙面對(duì)準(zhǔn)光刻和預(yù)腐蝕坑后已形成圖形窗口為圓形、方形、正方形、棱形或等 邊梯形陣列的樣品裝入腐蝕槽中，腐蝕電流為0. 01-0. 08A，最終腐蝕為完好凸角結(jié)構(gòu)，該方 法不需要在掩模版上附加任何補(bǔ)償塊，腐蝕過(guò)程可控性好；圖形不受晶格和腐蝕時(shí)間限制， 可以加工任意形狀的微結(jié)構(gòu)；圖形轉(zhuǎn)移時(shí)無(wú)需晶向?qū)?zhǔn)，簡(jiǎn)化了操作步驟。實(shí)施例1 利用方形陣列掩模雙面對(duì)準(zhǔn)光刻為方形陣列的含3102掩蔽層的N型Si (100)樣品 經(jīng)過(guò)預(yù)腐蝕10分鐘后裝入腐蝕槽中，方形窗口邊長(zhǎng)為300 μ m,間距也為300 μ m,垂直磁場(chǎng) 強(qiáng)度63mT，腐蝕電流0. 04A，腐蝕時(shí)間150min，圖形上部為完好的方形，整個(gè)圖形棱角分明， 凸角完好，呈四棱臺(tái)狀，腐蝕深度約為71um。實(shí)施例2 利用方形陣列掩模雙面對(duì)準(zhǔn)光刻為方形陣列的含SiO2掩蔽層的N型Si (100)樣 品經(jīng)過(guò)預(yù)腐蝕5分鐘后裝入腐蝕槽中，方形窗口邊長(zhǎng)為100 μ m，間距也為100 μ m，垂直磁場(chǎng) 強(qiáng)度63mT，腐蝕電流0. 05A，腐蝕時(shí)間lOOmin，圖形上部為完好的方形，整個(gè)圖形棱角分明， 凸角完好，呈四棱臺(tái)狀，腐蝕深度約為53um。實(shí)施例3 腐蝕條件是63mT垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度，腐蝕時(shí)間為190min，腐蝕電流0. 04A,其他條件同 實(shí)施例1，增加腐蝕時(shí)間，臺(tái)面高度增加。實(shí)施例4 利用圓形陣列掩模雙面對(duì)準(zhǔn)光刻為圓形陣列的含SiO2掩蔽層的N型Si (100)樣 品經(jīng)過(guò)預(yù)腐蝕10分鐘后裝入腐蝕槽中，圓形直徑為100 μ m,間距為300 μ m,垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度 72mT，腐蝕電流0. 04A，腐蝕時(shí)間190min，圖形上部為完好的圓形，整個(gè)圖形棱角分明，凸角 完好，呈類圓拄狀腐蝕深度約為90um。實(shí)施例5 利用圓形陣列掩模雙面對(duì)準(zhǔn)光刻為圓形陣列的含SiO2掩蔽層的N型Si (100)樣 品經(jīng)過(guò)預(yù)腐蝕6分鐘后裝入腐蝕槽中，圓形直徑為50 μ m,間距為100 μ m,垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度到 72mT，腐蝕電流為0.04A，腐蝕時(shí)間190min，腐蝕深度較深，側(cè)壁陡直性較好。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上看，總體趨勢(shì)是隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，從OmT增加到72mT，腐蝕后硅側(cè)壁陡直性有明顯好 轉(zhuǎn)，表明雙面對(duì)準(zhǔn)光刻預(yù)腐蝕后外加磁場(chǎng)能夠有效提高側(cè)壁陡直性，說(shuō)明雙面對(duì)準(zhǔn)光刻預(yù) 腐蝕能起到限制通電區(qū)域的作用，垂直磁場(chǎng)能夠在側(cè)壁底部產(chǎn)生水平腐蝕速率，使側(cè)壁底 部腐蝕速率趨向于頂部腐蝕速率。實(shí)施例6:利用方形陣列掩模雙面對(duì)準(zhǔn)光刻為方形陣列的含SiO2掩蔽層的P型Si (100)樣 品經(jīng)過(guò)預(yù)腐蝕5分鐘后裝入腐蝕槽中，方形窗口邊長(zhǎng)為300 μ m,間距也為300 μ m,垂直磁場(chǎng) 強(qiáng)度72mT，腐蝕電流0. 04A，腐蝕時(shí)間120min，圖形上部為完好的方形，整個(gè)圖形棱角分明， 凸角完好，呈四棱臺(tái)狀，腐蝕深度約為68um。實(shí)施例7 利用棱形陣列掩模雙面對(duì)準(zhǔn)光刻為棱形陣列的含3102掩蔽層的P型Si (100)樣品 經(jīng)過(guò)預(yù)腐蝕10分鐘后裝入腐蝕槽中，棱形窗口邊長(zhǎng)為100 μ m,間距也為300 μ m,垂直磁場(chǎng) 強(qiáng)度72mT，腐蝕電流0. 04A，腐蝕時(shí)間180min，圖形上部為完好的棱形，整個(gè)圖形棱角分明， 凸角完好，呈棱形臺(tái)狀，腐蝕深度約為77um。實(shí)施例8 利用方形陣列掩模雙面對(duì)準(zhǔn)光刻為方形陣列的含SiO2掩蔽層和N型外延層的 P型Si (111)樣品經(jīng)過(guò)預(yù)腐蝕5分鐘后裝入腐蝕槽中，方形窗口邊長(zhǎng)為300 μ m,間距也為 300 μ m，垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度72mT，腐蝕電流0. 02A，腐蝕時(shí)間300min，圖形上部為完好的方形，整 個(gè)圖形棱角分明，凸角完好，呈四棱臺(tái)狀，腐蝕深度約為64um。實(shí)施例9 利用圓形陣列掩模雙面對(duì)準(zhǔn)光刻為圓形陣列的含3102掩蔽層和N型外延層的P型 Si (111)樣品經(jīng)過(guò)預(yù)腐蝕10分鐘后裝入腐蝕槽中，圓形直徑為100 μ m,間距為300 μ m,垂直 磁場(chǎng)強(qiáng)度72mT，腐蝕電流0. 02A，腐蝕時(shí)間180min，圖形上部為完好的圓形，整個(gè)圖形棱角 分明，凸角完好，呈近圓柱狀，腐蝕深度約為43um。本發(fā)明采用以下方法將得到硅基三維結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品利用掃描電子顯微鏡作表面和 斷面形貌觀察和分析，以檢驗(yàn)該產(chǎn)品的質(zhì)量，該方法是將得到硅基三維結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品表面和 斷面分別平放和垂直放在掃描電子顯微鏡的樣品臺(tái)上，之后放入掃描電子顯微鏡的樣品架 上，抽真空進(jìn)行觀察。
權(quán)利要求
一種硅基三維結(jié)構(gòu)的雙面對(duì)準(zhǔn)光刻加磁場(chǎng)輔助電化學(xué)腐蝕的方法，其特征是該方法的步驟包括(1)雙面對(duì)準(zhǔn)光刻硅片利用光刻機(jī)和圖形掩模將硅片進(jìn)行雙面對(duì)準(zhǔn)光刻，將掩模圖形轉(zhuǎn)移到硅片的雙面上；(2)預(yù)腐蝕坑將雙面對(duì)準(zhǔn)光刻的硅片放入摩爾濃度為5～8的KOH溶液中，80-100℃下預(yù)腐蝕5-10分鐘；按照工藝要求，在硅片的雙面腐蝕出3-6微米深度的預(yù)腐蝕坑；(3)配置腐蝕液將HF、DMF和水混合，組成三者的體積比為(2.5～3.5)∶(14～18)∶1的腐蝕液作為負(fù)極腐蝕液，其中，HF為體積濃度40％的氫氟酸，DMF為體積濃度99.5％的二甲基甲酰胺；將體積濃度96％的分析純NH4F、體積濃度40％的HF和水混合，組成三者的體積比為3∶6∶10的氫氟酸緩沖腐蝕液作為正極腐蝕液；(4)電化學(xué)腐蝕前的準(zhǔn)備將雙槽腐蝕設(shè)備置于通風(fēng)櫥內(nèi)，再將配置好的腐蝕液分別加入兩側(cè)腐蝕槽中，連接好兩對(duì)電極；磁場(chǎng)配置將磁場(chǎng)方向垂直100晶向，同時(shí)與電場(chǎng)方向垂直；該磁場(chǎng)方向定為x軸。將光刻好并經(jīng)預(yù)腐蝕坑的硅片裝入所述腐蝕槽中；(5)電化學(xué)腐蝕的實(shí)施按照工藝要求，在腐蝕液、0.01～0.08A電流及磁場(chǎng)的協(xié)同作用下對(duì)光刻好并經(jīng)預(yù)腐蝕坑的硅片進(jìn)行電化學(xué)腐蝕；(6)后處理電化學(xué)腐蝕結(jié)束后將硅片取下用去離子水沖洗干凈，然后進(jìn)行烘干；經(jīng)過(guò)上述步驟，得到硅基三維結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是掩模圖形的形狀為圓形、方形、正方形、棱形 或等邊梯形陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是由以下方法配置負(fù)極腐蝕液將HF、DMF和水 的混合，組成三者的體積比為3 16 1的腐蝕液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述磁場(chǎng)為10 IOOmT強(qiáng)度的磁場(chǎng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征是所述磁場(chǎng)為72mT強(qiáng)度的磁場(chǎng)。
6.根掘權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述工藝要求是指采用0.01 0. 08A的直 流電流，腐蝕時(shí)間為100 300分鐘，腐蝕深度為30 100微米，腐蝕間距為20 300微 米。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是所述工藝要求是指采用0.04A的直流電流， 腐蝕時(shí)間為120分鐘，腐蝕深度為68微米，腐蝕間距為300微米。全文摘要
本發(fā)明是一種硅基三維結(jié)構(gòu)的雙面對(duì)準(zhǔn)光刻加磁場(chǎng)輔助電化學(xué)腐蝕的方法，該方法包括雙面對(duì)準(zhǔn)光刻硅片、預(yù)腐蝕坑、配置腐蝕液、電化學(xué)腐蝕前的準(zhǔn)備、電化學(xué)腐蝕的實(shí)施及后處理步驟，其中在預(yù)腐蝕坑過(guò)程中，是將雙面對(duì)準(zhǔn)光刻的硅片放入摩爾濃度為5～8的KOH溶液中，80-100℃下預(yù)腐蝕5-10分鐘，然后按照工藝要求，在硅片的雙面腐蝕出3-6微米深度的預(yù)腐蝕坑。本發(fā)明具有實(shí)用性強(qiáng)、工藝簡(jiǎn)單、易于操作性等優(yōu)點(diǎn)，尤其是硅片經(jīng)過(guò)雙面對(duì)準(zhǔn)光刻和預(yù)腐蝕一定深度的預(yù)腐蝕坑后，可使電化學(xué)腐蝕時(shí)的電流被限制在雙面對(duì)準(zhǔn)圖形開口區(qū)域，抑制和消除邊緣效應(yīng)的產(chǎn)生，從而增加三維周期結(jié)構(gòu)的陡直性。
文檔編號(hào)H01L21/3063GK101887851SQ201010186679
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者劉桂珍, 周建, 王琳 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)