專利名稱：一種基于飛秒激光處理和濕法刻蝕的硅微結(jié)構(gòu)加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)和半導(dǎo)體集成電路技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種娃微結(jié)構(gòu)的加工方法，尤其是一種基于飛秒激光處理和濕法刻蝕的深硅槽加工方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體器件以及微機(jī)械電子系統(tǒng)的加工中，目前主要采用濕法刻蝕和干法刻蝕在硅上加工出微納結(jié)構(gòu)。濕法刻蝕和干法刻蝕一般需要采用掩模定義刻蝕區(qū)域。濕法刻蝕利用能和硅進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的溶液對硅進(jìn)行刻蝕，通常采用堿(KOH、NaOH等)或者酸(HF和HNO3混合溶液等)溶液。干法刻蝕是利用等離子體通過化學(xué)或者物理的作用對硅實(shí)現(xiàn)刻蝕。各向異性的干法刻蝕是目前加工高深寬比的深硅槽最主要的方法。高深寬比的深硅槽在半導(dǎo)體器件中的隔離槽、微流控芯片、以及MEMS器件中具有重要的應(yīng)用。例如在體硅MEMS器件中，微結(jié)構(gòu)和電路部分的電隔離和互聯(lián)是一種非常重要的技術(shù)。由于體硅工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝不兼容，形成高深寬比的硅隔離槽成為亟待解決的工藝問題。一般要求這種隔 離槽深度達(dá)到20 100 μ m，深寬比大于25:1。通常采用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)的方法加工深硅槽。DRIE加工方法先采用光刻技術(shù)定義出槽圖形，然后利用電感耦合等離子體(ICP)刻蝕技術(shù)反復(fù)進(jìn)行刻蝕和鈍化，直到加工出足夠深的高深寬比硅槽。目前這種方法刻蝕硅槽的深寬比達(dá)到了 40:1。然而這種方法工藝比較繁雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種基于飛秒激光處理和濕法刻蝕的硅微結(jié)構(gòu)加工方法，其采用飛秒激光照射的方式定義刻蝕區(qū)域，再利用濕法腐蝕的方法刻蝕出硅微結(jié)構(gòu)。該方法不僅工序更為簡單，而且不需要掩模來定義刻蝕區(qū)域。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的:這種基于飛秒激光處理和濕法刻蝕的硅微結(jié)構(gòu)加工方法是在含氧氣體氛圍中利用飛秒激光掃描單晶硅基片，在掃描區(qū)誘導(dǎo)硅產(chǎn)生折射率變化，再通過氫氟酸濕法刻蝕去除折射率變化區(qū)形成硅微結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的，以上方法具體按照以下步驟進(jìn)行:(I)選用單晶硅基片，依次在丙酮、酒精和去離子水中清洗；(2)在含氧氣體氛圍中利用飛秒激光在硅上掃描定義微結(jié)構(gòu)的分布圖樣，使掃描區(qū)域折射率改變；(3)將飛秒激光處理后的硅基片在氫氟酸中進(jìn)行超聲波輔助腐蝕，去除折射率變化區(qū)域，形成硅微結(jié)構(gòu)；(4)將氫氟酸腐蝕后的硅片在去離子水中清洗。進(jìn)一步，上述單晶娃基片是〈100〉、〈I11>、〈I 10〉晶向的娃基片。進(jìn)一步，以上步驟(2)中，所述含氧氣體選擇空氣。上述步驟(2)中，利用飛秒激光掃描單晶硅基片在其內(nèi)部形成含氧的折射率變化區(qū)域，表面激光去除深度小于5微米。上述步驟(2)中，飛秒激光照射產(chǎn)生的折射率變化區(qū)域深度和寬度由照射的飛秒激光能量、聚焦條件以及掃描速度控制；折射率變化區(qū)域的深度為200微米以上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明基于飛秒激光處理和濕法刻蝕的硅微結(jié)構(gòu)加工方法工藝簡單，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其不需要使用掩模板定義微結(jié)構(gòu)的分布圖樣；氫氟酸僅和折射率變化區(qū)域進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，相對于通常的濕法和干法刻蝕，腐蝕選擇性好，刻蝕區(qū)域完全由飛秒激光處理區(qū)域決定，不存在側(cè)向鉆蝕；在深硅槽的加工中可以獲得深寬比高、深度大的硅槽。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)中飛秒激光直接刻蝕硅槽的方法所需要的激光能量更低。本發(fā)明的方法可應(yīng)用于微機(jī)械電子系統(tǒng)。


圖1是本加工方法采用的加工裝置圖；圖2是本發(fā)明刻蝕硅微結(jié)構(gòu)流程示意圖；圖3是本發(fā)明方法加工過程中飛秒激光掃描后硅的側(cè)面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像以及刻蝕出硅槽形貌的SEM圖像和元素測量結(jié)果；圖4為實(shí)施例2最終加工出的硅槽的形貌圖；圖5為實(shí)施例3最終加工出的硅槽的形貌圖。其中，I為單晶硅基片；2為顯微物鏡；3為飛秒激光；4為飛秒激光誘導(dǎo)產(chǎn)生折射率變化區(qū)域；5為HF溶液；6為去離子水；7為計算機(jī)；8為三維電動平移臺；9為CCD。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明基于飛秒激光處理和濕法刻蝕的硅微結(jié)構(gòu)加工方法是在含氧氣體氛圍中利用飛秒激光掃描單晶硅基片，在掃描區(qū)誘導(dǎo)硅產(chǎn)生折射率變化而不是直接去除硅材料，再通過氫氟酸濕法刻蝕去除折射率變化區(qū)形成硅微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明適用于各種晶向的單晶硅基片，本發(fā)明優(yōu)選〈100〉、〈 111>、〈 110>晶向的硅基片。該方法的具體步驟按照以下步驟進(jìn)行:(I)選用單晶硅基片，依次在丙酮、酒精和去離子水中清洗；(2)在空氣或其它含氧氣體氛圍中利用飛秒激光在硅片上掃描定義微結(jié)構(gòu)的分布圖樣，掃描區(qū)域發(fā)生折射率改變，而沒有被直接去除或僅表面少量去除；在該步驟中，利用飛秒激光掃描單晶硅基片在其內(nèi)部形成含氧的折射率變化區(qū)域，表面激光去除深度在5微米以下。并且飛秒激光照射產(chǎn)生的折射率變化區(qū)域深度和寬度由照射的飛秒激光能量、聚焦條件以及掃描速度控制；折射率變化區(qū)域的深度為200微米以上。(3)將飛秒激光處理后的硅基片在氫氟酸中進(jìn)行超聲波輔助腐蝕。超聲波輔助腐蝕的時間與步驟(2)飛秒激光誘導(dǎo)出的折射率變化區(qū)域相關(guān)。典型時間為20-40min，但不限于此范圍。在氫氟酸中腐蝕時溫度在20°C但不限于此溫度。氫氟酸的濃度為20%左右，但不僅限于此濃度。(4)將經(jīng) 氫氟酸溶液腐蝕后的硅片在去離子水中清洗。完成以上步驟后，也可以采用濕法刻蝕的方法對刻蝕的硅微結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:圖1為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所采用的一種加工裝置示意圖，其由顯微物鏡2、三維電動平移臺8、計算機(jī)7、飛秒激光3組成.，單晶硅基片I放置在三維電動平移臺8上，計算機(jī)7與三維電動平移臺8以及設(shè)置在顯微物鏡2上方的CXD連接，飛秒激光3經(jīng)顯微物鏡2聚焦后照射在單晶娃基片I上。利用圖1所示的裝置，下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的幾個實(shí)施例:實(shí)施例1本實(shí)施例以加工深硅槽為例，具體如下:原始材料:單面拋光的N型單晶硅片，<100>晶向，厚度500 μ m。高深寬比深 硅槽的制備步驟詳細(xì)實(shí)施方式闡述如下:(I)依次利用丙酮、酒精和去離子水對單晶硅基片I進(jìn)行超聲波輔助清洗，清洗后將其吹干，見圖2 (a)。(2)飛秒激光3脈沖寬度為50fs，功率設(shè)定為30mW。選擇IOX、數(shù)值孔徑0.3的顯微物鏡2，使飛秒激光3通過顯微物鏡2聚焦在單晶硅基片I上，三維電動平移臺8掃描速率為2 μ m/s。利用飛秒激光3在硅片上掃描出槽的分布圖樣，見圖2 (b)。飛秒激光3在掃描區(qū)誘導(dǎo)產(chǎn)生折射率變化區(qū)域4，飛秒激光3在照射區(qū)域表面去除深度約5 μ m，折射率變化區(qū)域深270 μ m，其掃描電鏡圖如圖3 (a)所示。(3)將激光掃描后的單晶硅片在20%HF溶液5中進(jìn)行超聲波輔助腐蝕，腐蝕時間20min，見圖2(c)。飛秒激光3誘導(dǎo)產(chǎn)生的折射率變化區(qū)域被腐蝕掉，形成硅槽，見圖2(d)。腐蝕結(jié)束后利用去離子水6對HF溶液5腐蝕后的硅片進(jìn)行超聲清洗。圖3 (a)為最終加工出的硅槽的形貌。從圖中可以看出，槽的深度為270 μ m，深寬比為36:1，可以滿足隔離槽的需求。圖3(b)為加工硅槽的元素成分測量，最終加工的硅槽周圍僅有硅元素，沒有其它元素的污染。實(shí)施例2原始材料:單面拋光的N型單晶硅片，<100>晶向，厚度500 μ m。(I)單晶硅基片I的清洗參考實(shí)施例1的相應(yīng)過程。(2)飛秒激光3掃描單晶硅基片I的過程參考實(shí)施例1的相應(yīng)過程，參數(shù)為:飛秒激光3脈沖寬度為50fs，功率設(shè)定為30mW ;選擇50 X、數(shù)值孔徑0.5的顯微物鏡2 ;三維電動平移臺8掃描速率為2 μ m/s。(3)飛秒激光3掃描后硅片的腐蝕參考實(shí)施例1的相應(yīng)過程。(4)腐蝕后硅片的清洗參考實(shí)施例1的相應(yīng)過程。圖4為實(shí)施例2最終加工出的硅槽的形貌。從圖中可以看出，槽的深度為ΙΟΟμπι，深寬比為8.5:1。實(shí)施例3原始材料:單面拋光的N型單晶硅片，<100>晶向，厚度500 μ m。(I)單晶硅基片I的清洗參考實(shí)施例1的相應(yīng)過程。(2)飛秒激光3掃描單晶硅基片I的過程參考實(shí)施例1的相應(yīng)過程，參數(shù)為:飛秒激光3脈沖寬度為50fs，功率設(shè)定為40mW ;選擇IOX、數(shù)值孔徑0.3的顯微物鏡2 ;三維電動平移臺8掃描速率為2 μ m/s。(3)飛秒激光3掃描后硅片的腐蝕參考實(shí)施例1的相應(yīng)過程。(4)腐蝕后硅片的清洗參考實(shí)施例1的相應(yīng)過程。圖5為實(shí)施例3最終加工出的硅槽的形貌。從圖中可以看出，槽的深度為285 μ m，深寬比為44 :1。
權(quán)利要求
1.一種基于飛秒激光處理和濕法刻蝕的硅微結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于:在含氧氣體氛圍中利用飛秒激光掃描單晶硅基片，在掃描區(qū)誘導(dǎo)硅產(chǎn)生折射率變化，再通過氫氟酸濕法刻蝕去除折射率變化區(qū)在硅表面形成微結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于飛秒激光處理和濕法刻蝕的硅微結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于，該方法具體按照以下步驟進(jìn)行: (1)選用單晶硅基片，依次在丙酮、酒精和去離子水中清洗； (2)在含氧氣體氛圍中利用飛秒激光在硅上掃描定義微結(jié)構(gòu)的分布圖樣，使掃描區(qū)域硅的折射率改變； (3)將飛秒激光處理后的硅基片在氫氟酸中進(jìn)行超聲波輔助腐蝕，去除折射率變化區(qū)域，在娃表面形成微結(jié)構(gòu)； (4)將經(jīng)氫氟酸腐蝕后的硅片在去離子水中清洗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于飛秒激光處理和濕法刻蝕的硅微結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于，所述單晶娃基片是〈100〉、〈111〉、〈110〉晶向的娃基片。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于飛秒激光處理和濕法刻蝕的硅微結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于，步驟(2)中，所述含氧氣體選擇空氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于飛秒激光處理和濕法刻蝕的硅微結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于，步驟(2)中，利用飛秒激光掃描單晶硅基片在其內(nèi)部形成含氧的折射率變化區(qū)域，表面激光去除深度小于5微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于飛秒激光處理和濕法刻蝕的硅微結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于，步驟(2)中，飛秒激光照射產(chǎn)生的折射率變化區(qū)域深度和寬度由照射的飛秒激光能量、聚焦條件以及掃描速度控制；折射率變化區(qū)域的深度為200微米以上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于飛秒激光處理和濕法刻蝕的硅微結(jié)構(gòu)加工方法在含氧氣體氛圍中利用飛秒激光掃描單晶硅基片，在掃描區(qū)誘導(dǎo)硅產(chǎn)生折射率變化，再通過氫氟酸濕法刻蝕去除折射率變化區(qū)形成硅微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的方法工藝簡單，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其不需要使用掩模板定義微結(jié)構(gòu)的分布圖樣；相對于通常的濕法和干法刻蝕，腐蝕選擇性好，刻蝕區(qū)域完全由飛秒激光處理區(qū)域決定，不存在側(cè)向鉆蝕；在深硅槽的加工中可以獲得深寬比高、深度大的硅槽。本發(fā)明的方法可應(yīng)用于微機(jī)械電子系統(tǒng)。
文檔編號H01L21/02GK103232023SQ20131014103
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者陳濤, 司金海, 馬云燦, 潘安, 陳烽, 侯洵 申請人:西安交通大學(xué)