專利名稱：硅基三維結構磁場輔助電化學腐蝕的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及材料科學和電化學領域，特別是涉及一種硅基三維結構磁場輔助電化 學腐蝕的方法。
背景技術：
電化學腐蝕技術是近幾年發(fā)展起來的新興硅基三維結構加工技術。由于電化學腐 蝕過程與空穴的分布有密切的關系，由空間電荷區(qū)(SCR)模式，電化學刻蝕強烈地依賴于 空穴的產生及其在尖端周圍的分布，而刻蝕區(qū)域側壁分叉結構的形成是由于電流的橫向分 量，導致在垂直方向的橫向刻蝕發(fā)生，所以電化學腐蝕很難得到大間距陡直的三維周期結 構。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種硅基三維結構磁場輔助電化學腐蝕的方 法，該方法能夠實現間距為20-300i!m的大間距周期性圓孔結構、凸角結構和臺狀結構等 陡直的三維周期結構。本發(fā)明解決其技術問題采用以下的技術方案本發(fā)明提供的硅基三維結構磁場輔助電化學腐蝕的方法，其步驟包括(1)光刻硅片利用光刻機和圖形掩模將硅片進行光刻。(2)配置腐蝕液將HF、DMF和水的混合，組成三者的體積比為(2. 5 3.5) (14 18) 1的腐蝕液作為負極腐蝕液，其中，HF為質量濃度40%的氫氟酸，DMF 為質量濃度99. 5%的二甲基甲酰胺；將質量濃度96%的分析純NH4F、質量濃度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；(3)電化學腐蝕前的準備將雙槽腐蝕設備置于通風櫥內，再將配置好的腐蝕液分別加入兩側腐蝕槽中，連 接好電極；磁場配置將磁場方向垂直100晶向，同時與電場方向垂直；該磁場方向定為x 軸； 將光刻好的硅片裝入所述腐蝕槽中。(4)電化學腐蝕的實施按照工藝要求，在腐蝕液、0. 01 0. 08A電流及磁場的協(xié) 同作用下對光刻好的硅片進行電化學腐蝕。(5)后處理電化學腐蝕結束后將硅片取下用去離子水沖洗干凈，然后進行烘干。 其中烘干溫度為70 100°C，烘干時間為10 30分鐘。經過上述步驟，得到硅基三維結構的產品。上述圖形掩模的形狀可以為圓形、方形、正方、棱形或等邊梯形陣列。本發(fā)明還可以由以下方法配置負極腐蝕液將HF、DMF和水混合，組成三者的體積 比為3 16 1的腐蝕液。
上述磁場可以為10 100mT強度的磁場，優(yōu)選為72mT強度的磁場。步驟(4)中所述工藝要求是指采用0. 01 0. 08A的直流電流，優(yōu)選值為0. 04A 的直流電流。腐蝕時間為120 300分鐘，優(yōu)選值為150分鐘。腐蝕深度為60 100微米， 優(yōu)選值為65微米。腐蝕間距為20 300微米，優(yōu)選值為300微米。步驟(3)中所述電極可以采用石墨電極。本發(fā)明采用以下方法將得到硅基三維結構的產品利用掃描電子顯微鏡作表面和 斷面形貌觀察和分析，以檢驗該產品的質量，該方法是將得到硅基三維結構的產品表面和 斷面分別平放和垂直放在掃描電子顯微鏡的樣品臺上，之后放入掃描電子顯微鏡的樣品架 上，抽真空進行觀察。本發(fā)明與傳統(tǒng)的硅基三維結構電化學腐蝕的方法相比主要有以下的優(yōu)點其一.工藝簡單避免了在硅片背面鍍導電金屬層，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.實用性強很好地解決了間距為20 300 ym的大間距周期性圓碗結構、凸 角結構和臺狀結構的腐蝕問題，并且刻蝕深度可以達到30 100微米深。其三.可操作性強由于磁場的存在，能夠抑制橫向電流從而能夠阻止分叉結構，所以通過控制空穴 的分布就可以很好的對電化學腐蝕過程進行控制?；诨魻栃脑O計原理，磁場方向垂直(100)晶向(將該方向定為x軸)同時 與電場方向垂直。光刻圖形間距為20-300 ym，圖形掩模分別為方形、圓形和棱形等不同形 狀。將雙槽電化學腐蝕裝置置于垂直磁場中，磁場強度大小由電磁鐵提供，用特斯拉計測電 磁鐵的磁感應強度，通過調節(jié)電磁鐵線圈通電電流來控制磁場強度大小。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種硅基三維結構磁場輔助電化學腐蝕的方法，該方法是一種改進電 化學腐蝕硅基三維結構大間距圖形陡直性的方法，是一種有別于現有技術的硅基三維結構 電化學腐蝕的方法。具體是采用雙槽腐蝕裝置(又稱容器)，經光刻后的硅片，裝入該裝 置中；容器由耐酸耐堿的聚四氟乙烯材料制成，硅片放置于槽的孔內，密封圈和固定槽之間 將整個容器完全分隔為兩個部分，兩側各放置石墨電極，兩個石墨電極分別接直流穩(wěn)壓源 的正極和負極，用螺釘擰緊固定兩腐蝕槽，以免漏液；負極腐蝕液由不同配比的HF與DMF混 合腐蝕組成，正極腐蝕液是將96%的分析純NH4F、質量濃度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。兩端加上可調節(jié)的腐蝕電流，電流經溶液穿 過硅片。這樣，正對負電極的硅片成為電化學反應的陽極，進行陽極氧化反應，也即電化學 腐蝕反應。同時，在垂直電流方向加上磁場。下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不限定本發(fā)明。將掩模窗口為方形、圓形、菱形和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構，該方法不需要在掩模版上附加任何補償塊，腐蝕過 程可控性好；圖形不受晶格和腐蝕時間限制，可以加工任意形狀的微結構；圖形轉移時無 需晶向對準，簡化了操作步驟。實施例1 利用方形陣列掩模光刻為方形陣列的含Si02掩蔽層的N型Si (100)樣品裝入腐蝕槽中，方形窗口邊長為300iim，間距也為300iim，垂直磁場強度63mT，腐蝕電流 0. 04A，腐蝕時間150min，圖形上部為完好的方形，腐蝕深度約為65um，側壁有一定的傾斜， 底部比頂部稍大，但仍為方形，整個圖形棱角分明，凸角完好，呈四棱臺狀，加上垂直磁場腐 蝕出的圖形側壁與底面的交接線不是很明顯，這種現象類同于各向同性腐蝕的特點。然后 經過后處理，得到硅基三維結構的產品。實施例2 利用方形陣列掩模光刻為方形陣列的含Si02掩蔽層的N型Si (100)樣 品裝入腐蝕槽中，方形窗口邊長為lOOiim，間距也為lOOiim，垂直磁場強度63mT，腐蝕電流 0. 05A，腐蝕時間lOOmin，圖形上部為完好的方形，腐蝕深度約為50um，側壁有一定的傾斜， 底部比頂部稍大，但仍為方形，整個圖形棱角分明，凸角完好，呈四棱臺狀，加上垂直磁場腐 蝕出的圖形側壁與底面的交接線不是很明顯，這種現象類同于各向同性腐蝕的特點。然后 經過后處理，得到硅基三維結構的產品。實施例3 其它內容同實施例2，不同的是腐蝕時間為190min，腐蝕電流0.04A。 增加腐蝕時間后，可增加臺面高度。實施例4 利用園形陣列掩模光刻為為圓形陣列的含Si3N4掩蔽層的N型Si (100) 樣品裝入腐蝕槽中，圓形直徑為100 i! m，間距為300 i! m，垂直磁場強度72mT，腐蝕電流 0. 04A，腐蝕時間190min，圖形上部為完好的圓形，腐蝕深度約為83. 8um，側壁陡直性有明 顯好轉，整個圖形棱角分明，凸角完好，呈圓臺狀，加上垂直磁場腐蝕出的圖形側壁與底面 的交接線不是很明顯，這種現象類同于各向同性腐蝕的特點。然后經過后處理，得到硅基三 維結構的產品。實施例5 利用園形陣列掩模光刻為為圓形陣列的含Si02掩蔽層的N型Si (100) 樣品裝入腐蝕槽中，圓形直徑為50iim，間距為100 iim，垂直磁場強度到72mT，腐蝕電流為 0.04A，腐蝕時間190min，腐蝕深度較深，側壁陡直性較好。從實驗現象上看，總體趨勢是隨 著磁場強度的增加，從OmT增加到72mT，腐蝕后硅側壁陡直性有明顯好轉，表明磁場能夠有 效提高側壁陡直性，說明垂直磁場能夠在側壁底部產生水平腐蝕速率，使側壁底部腐蝕速 率趨向于頂部腐蝕速率。然后經過后處理，得到硅基三維結構的產品。實施例6 利用方形陣列掩模光刻為方形陣列的含Si02掩蔽層的P型Si (100)樣 品裝入腐蝕槽中，方形窗口邊長為300iim，間距也為300 y m，垂直磁場強度72mT，腐蝕電流 0. 04A，腐蝕時間120min，圖形上部為完好的方形，腐蝕深度約為65um，側壁陡直性有明顯 好轉，整個圖形棱角分明，凸角完好，呈四棱臺狀，加上垂直磁場腐蝕出的圖形側壁與底面 的交接線不是很明顯，這種現象類同于各向同性腐蝕的特點。然后經過后處理，得到硅基三 維結構的產品。實施例7 利用方形陣列掩模光刻為方形陣列的含Si02掩蔽層的P型Si (100)樣 品裝入腐蝕槽中，方形窗口邊長為300iim，間距也為300 y m，垂直磁場強度72mT，腐蝕電流 0. 04A，腐蝕時間180min，圖形上部為完好的圓形，腐蝕深度約為71. 3um，側壁陡直性有明 顯好轉，整個圖形棱角分明，凸角完好，呈圓臺狀，加上垂直磁場腐蝕出的圖形側壁與底面 的交接線不是很明顯，這種現象類同于各向同性腐蝕的特點。然后經過后處理，得到硅基三 維結構的產品。實施例8 利用方形陣列掩模光刻為方形陣列的含Si3N4掩蔽層和N型外延層的P 型Si (111)樣品裝入腐蝕槽中，方形窗口邊長為300 u m,間距也為300 u m,垂直磁場強度72mT，腐蝕電流0. 02A，腐蝕時間300min，圖形上部為完好的方形，腐蝕深度約為61. 3um，側 壁陡直性有明顯好轉，整個圖形棱角分明，凸角完好，呈四棱臺狀，加上垂直磁場腐蝕出的 圖形側壁與底面的交接線不是很明顯，這種現象類同于各向同性腐蝕的特點。然后經過后 處理，得到硅基三維結構的產品。 實施例9 利用圓形陣列掩模光刻為圓形陣列的含Si02掩蔽層和N型外延層的P 型Si (111)樣品裝入腐蝕槽中，圓形直徑為lOOiim，間距為300 y m，垂直磁場強度72mT，腐 蝕電流0. 02A，腐蝕時間180min，圖形上部為完好的圓形，腐蝕深度約為38. 5um，側壁陡直 性有明顯好轉，整個圖形棱角分明，凸角完好，呈圓臺狀，加上垂直磁場腐蝕出的圖形側壁 與底面的交接線不是很明顯，這種現象類同于各向同性腐蝕的特點。然后經過后處理，得到 硅基三維結構的產品。
權利要求
一種硅基三維結構磁場輔助電化學腐蝕的方法，其特征是該方法的步驟包括(1)光刻硅片利用光刻機和圖形掩模將硅片進行光刻；(2)配置腐蝕液將HF、DMF和水的混合，組成三者的體積比為(2.5～3.5)∶(14～18)∶1的腐蝕液作為負極腐蝕液，其中，HF為質量濃度40％的氫氟酸，DMF為質量濃度99.5％的二甲基甲酰胺；將質量濃度96％的分析純NH4F、質量濃度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；(3)電化學腐蝕前的準備將雙槽腐蝕設備置于通風櫥內，再將配置好的腐蝕液分別加入兩側腐蝕槽中，連接好電極，磁場配置將磁場方向垂直100晶向，同時與電場方向垂直；該磁場方向定為x軸，將光刻好的硅片裝入所述腐蝕槽中；(4)電化學腐蝕的實施按照工藝要求，在腐蝕液、0.01～0.08A電流及磁場的協(xié)同作用下對光刻好的硅片進行電化學腐蝕；(5)后處理電化學腐蝕結束后將硅片取下用去離子水沖洗干凈，然后進行烘干；經過上述步驟，得到硅基三維結構的產品。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征是圖形掩模的形狀為圓形、方形、正方、棱形或 等邊梯形陣列。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征是由以下方法配置負極腐蝕液將HF、DMF和水 的混合，組成三者的體積比為3 16 1的腐蝕液。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述磁場為10 IOOmT強度的磁場。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征是所述磁場為72mT強度的磁場。
6.根據權利要求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，腐蝕時間為120 300分鐘，腐蝕深度為60 100微米，腐蝕間距為20 300微 米。
7.根據權利要求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， 腐蝕時間為150分鐘，腐蝕深度為65微米，腐蝕間距為300微米。
8.根據權利要求1所述的方法，其特征是步驟(5)中，采用以下工藝條件進行烘干烘 干溫度為70 100°C，烘干時間為10 30分鐘。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征是采用石墨電極。
10.根據權利要求1所述的方法，其特征是采用以下方法將得到硅基三維結構的產品 利用掃描電子顯微鏡作表面和斷面形貌觀察和分析，以檢驗該產品的質量，該方法是將得 到硅基三維結構的產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上，之后 放入掃描電子顯微鏡的樣品架上，抽真空進行觀察。
全文摘要
本發(fā)明是一種硅基三維結構磁場輔助電化學腐蝕的方法，該方法包括光刻硅片、配置腐蝕液、電化學腐蝕前的準備、電化學腐蝕的實施及后處理步驟，其中在配置腐蝕液的過程中，是將氫氟酸、二甲基甲酰胺和水混合，組成三者的體積比為(2.5～3.5)∶(14～18)∶1的腐蝕液作為負極腐蝕液，將質量濃度96％的分析純NH4F、質量濃度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的腐蝕液；在磁場配置過程中，是將磁場方向垂直100晶向，同時與電場方向垂直，該磁場方向定為x軸。本發(fā)明提供的方法具有工藝簡單、實用性強和容易實施等優(yōu)點，可以獲得大間距陡直圖形的硅基三維結構的產品。
文檔編號H01L21/3063GK101866842SQ20101017039
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月7日 優(yōu)先權日2010年5月7日
發(fā)明者劉桂珍, 周建, 王琳 申請人:武漢理工大學