一種用于單晶硅表面圖案化微加工的貴金屬催化化學(xué)腐蝕法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種在單晶硅片表面進(jìn)行圖案化微加工的貴金屬催化化學(xué)腐蝕法。具體涉及利用貴金屬催化化學(xué)腐蝕對(duì)單晶硅片表面進(jìn)行圖案化微加工的工藝技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]硅表面微加工是一種通過(guò)物理、化學(xué)等方法對(duì)硅襯底進(jìn)行精細(xì)化加工的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于微電子領(lǐng)域。各向異性濕法化學(xué)腐蝕法是一種常見(jiàn)的硅表面微加工方法，其原理是利用腐蝕液在硅的各個(gè)晶向上腐蝕速率的不同來(lái)制作不同的微機(jī)械結(jié)構(gòu)或微機(jī)械零件。濕法化學(xué)腐蝕法主要通過(guò)對(duì)硅的深腐蝕和硅片的整體鍵合來(lái)實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)⒓庸さ膸缀纬叽缈刂圃谖⒚准?jí)。此外，濕法化學(xué)腐蝕具有使用設(shè)備簡(jiǎn)便、成本低廉、加工量可控、加工范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，并且克服了物理加工法會(huì)在加工表面形成微米或亞微米級(jí)機(jī)械損傷層的缺點(diǎn)，可以提高器件的穩(wěn)定性和成品率。貴金屬催化腐蝕是一種新型的濕法化學(xué)腐蝕技術(shù)，已成功應(yīng)用于制備硅納米線、多孔硅等硅表面微納結(jié)構(gòu)。本發(fā)明利用貴金屬催化特性，采用特定技術(shù)方案單步法實(shí)現(xiàn)單晶硅片表面的均勻腐蝕，獲得表面光滑平整的圖案化微加工結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的硅表面微加工技術(shù)相比，這種貴金屬催化腐蝕技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì):一方面，此方法在常溫常壓下，通過(guò)單步實(shí)現(xiàn)表面微加工，同時(shí)不需要復(fù)雜的高溫和高壓設(shè)備、操作簡(jiǎn)單、成本低，且用于加工的硅片尺寸不受限制，易應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)；另一方面，本方法腐蝕速率快、可重復(fù)性好；且加工效果好，微加工后的硅表面光滑平整、加工好的圖案清晰，且圖案邊緣光亮平整，無(wú)明顯崩邊、微裂紋等缺陷，與設(shè)定的圖案相符。該發(fā)明利用貴金屬催化腐蝕方法，采用簡(jiǎn)單、高效的技術(shù)工藝，對(duì)單晶硅表面進(jìn)行圖案化微加工具有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提出一種用于單晶硅表面圖案化微加工的貴金屬催化化學(xué)腐蝕法，其特征在于利用貴金屬催化單晶硅腐蝕的特性，將做好光刻掩膜的單晶硅片浸入氫氟酸/貴金屬鹽溶液/氧化劑均勻混合的腐蝕液中，采用單步法即可實(shí)現(xiàn)對(duì)單晶硅片表面進(jìn)行圖案化微加工。具體步驟如下:
a.預(yù)處理硅片:利用丙酮超聲去除油污，去離子水反復(fù)沖洗干凈；利用無(wú)水乙醇超聲去除殘留丙酮，去離子水反復(fù)沖洗干凈；利用氫氟酸去除氧化層，去離子水反復(fù)沖洗干凈，得到清潔的硅表面；然后把處理好的硅片做指定圖案的光刻掩膜。
[0004]b.配制腐蝕液:配制一定濃度范圍的氫氟酸/貴金屬鹽溶液/氧化劑混合溶液，攪拌5?lOmin,使溶液各組分混合均勻,然后把攪拌好的腐蝕液放入水浴中預(yù)熱。
[0005]c.硅片表面微加工:把預(yù)處理后的硅片浸入腐蝕液中反應(yīng)。在一定溶液組分與配比下，控制水浴溫度和反應(yīng)時(shí)間均可控制硅片的腐蝕深度，硅片的刻蝕速率為10?20μπι/min;反應(yīng)一定時(shí)間后，取出微加工后的硅片，迅速用去離子水反復(fù)沖洗干凈。
[0006]d.去除光刻膠:把微加工后的娃片浸入丙酮中浸泡20?30min,去除光刻膠，然后用去離子水反復(fù)沖洗干凈。
[0007]e.去除微加工后硅片表面殘余貴金屬顆粒:采用王水浸泡20?40min，徹底去除硅表面少量的殘余貴金屬顆粒，然后用去離子水反復(fù)沖洗干凈；放入真空干燥箱干燥，干燥器中保存。
[0008]所述步驟a采用的氫氟酸的濃度為7.3mol/L ;采用的光刻膠為SU_8負(fù)性光刻膠，厚度為30?50μπι。
[0009]所述步驟b采用的水浴溫度為20?40°C，預(yù)熱時(shí)間為5?lOmin。
[0010]所述步驟c采用的腐蝕液中，氫氟酸濃度為4?7mol/L，貴金屬鹽溶液可采用濃度為0.02?0.06mol/L的硝酸銀溶液或0.005?0.0lmol/L的氯金酸溶液；氧化劑可采用3?6mol/L的過(guò)氧化氫溶液、0.2?0.4mol/L的高錳酸鉀溶液或6?12mol/L的硝酸鐵溶液。
[0011 ] 所述步驟c采用的反應(yīng)時(shí)間為1?5min (以水浴溫度25°C為例)。
[0012]所述硅片為(100)或(111)單晶硅片，其電阻率在7?13Ω.cm。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:采用本發(fā)明的方法可簡(jiǎn)易、快速地制備出可控加工深度的圖案化微加工單晶硅片。本發(fā)明拓寬了貴金屬催化硅腐蝕的應(yīng)用范疇，為硅片表面的圖案化微加工技術(shù)提供了新的思路。本發(fā)明具有近常溫、常壓下單步法實(shí)現(xiàn)單晶硅片表面圖案化微加工的技術(shù)特征，由于成本低、工藝簡(jiǎn)單、效率高，且對(duì)于要加工硅片的尺寸沒(méi)有限制，因此易于在硅微加工器件制備中形成產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是在p型(100) Si上經(jīng)過(guò)圖案化微加工后的表面形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明提出一種基于貴金屬催化的單晶硅片表面圖案化微加工的濕化學(xué)腐蝕法。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明予以進(jìn)一步說(shuō)明。
[0016]實(shí)施例1
1.采用電阻率為7?13 Ω._的(100)單晶硅片，在丙酮中超聲清洗lOmin，采用去離子水沖洗3次；然后在無(wú)水乙醇中超聲清洗lOmin，采用去離子水清洗3次；之后常溫下在濃度為7.3mol/L的氫氟酸中浸泡5min，用去離子水沖洗2min ;真空干燥lOmin，然后做指定圖案的光刻掩膜，采用的光刻膠為SU-8負(fù)性光刻膠，厚度為30?50 μ m。
[0017]2.用40% (wt)氫氟酸、30% (wt)雙氧水、去離子水以及硝酸銀晶體，配制成以下濃度混合液(以下稱腐蝕液):氫氟酸濃度為5mol/L，過(guò)氧化氫溶液濃度為5mol/L，硝酸銀濃度為0.02mol/L ;攪拌lOmin，促進(jìn)各組分混合均勻；放入25°C的水浴中預(yù)熱。
[0018]3.把做好光刻掩膜處理后的單晶硅片水平浸入腐蝕液中，在25°C水浴中反應(yīng)；控制水浴溫度與反應(yīng)時(shí)間獲得所需腐蝕深度的圖案化微加工單晶硅片。如圖1所示，以取向(100)的單晶硅片為例，均為在25 °C水浴中反應(yīng)lmin所得到表面圖案化微加工后的單晶硅片。
[0019]4.腐蝕反應(yīng)至預(yù)期的時(shí)間，取出微加工后的硅片，迅速用去離子水反復(fù)沖洗5次，防止單晶硅片表面的殘余腐蝕液繼續(xù)反應(yīng)。
[0020]5.把沖洗干凈的微加工后的硅片浸入丙酮中浸泡20min，去除光刻膠，然后用去離子水反復(fù)沖洗5次。
[0021]6.采用王水浸泡30min，去除硅表面殘余銀，然后用去離子水反復(fù)沖洗5次；抽真空干燥，干燥器中保存。
[0022]本發(fā)明采用(100)單晶硅片，利用丙酮、無(wú)水乙醇和氫氟酸預(yù)處理得到清潔的硅表面，避免了傳統(tǒng)清洗方法的高溫加熱、工藝復(fù)雜、效率較低、且所需原料有毒的缺點(diǎn)。配制由氫氟酸、硝酸銀和氧化劑均勻混合而成的腐蝕液，并放入25°C水浴中預(yù)熱；將做好光刻掩膜處理的硅片浸入腐蝕液中，在硅片表面貴金屬顆粒自沉積與催化腐蝕的作用下，硅片表面圖案被均勻腐蝕。反應(yīng)一定時(shí)間后，取出微加工好的硅片，用去離子水反復(fù)沖洗干凈，然后再用丙酮浸泡20min去除刻蝕液；最后，用王水浸泡30min去除殘余的銀，然后用去離子水反復(fù)沖洗干凈。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于單晶硅表面圖案化微加工的貴金屬催化化學(xué)腐蝕法，其特征在于，采用貴金屬催化硅腐蝕特性，單步法實(shí)現(xiàn)單晶硅片表面圖案化微加工過(guò)程；具體步驟如下: a.預(yù)處理硅片:利用丙酮超聲去除油污，去離子水沖洗干凈；利用無(wú)水乙醇超聲去除殘留丙酮，去離子水沖洗干凈；利用氫氟酸去除氧化層，去離子水沖洗干凈，得到清潔的硅表面；然后把處理好的硅片做指定圖案的光刻掩膜； b.配制腐蝕液:配制一定濃度范圍的氫氟酸/貴金屬鹽溶液/氧化劑混合溶液，攪拌5~10min，使溶液各組分混合均勻，然后把攪拌好的腐蝕液放入水浴中預(yù)熱； c.石圭片表面微加工:把預(yù)處理后的娃片浸入腐蝕液中反應(yīng)； 在一定溶液組分與配比下，控制水浴溫度和反應(yīng)時(shí)間均可控制硅片的腐蝕深度，硅片的刻蝕速率為1(Γ20μηι/η?η ;反應(yīng)一定時(shí)間后，取出微加工后的娃片，迅速用去離子水反復(fù)沖洗干凈； d.去除光刻膠:把微加工后的硅片浸入丙酮中浸泡2(T30min，去除光刻膠，然后用去離子水反復(fù)沖洗干凈； e.去除微加工后硅片表面殘余貴金屬顆粒:采用王水浸泡2(T40min，徹底去除硅表面少量的殘余貴金屬顆粒，然后用去離子水反復(fù)沖洗干凈；放入真空干燥箱干燥，干燥器中保存。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于單晶硅表面圖案化微加工的貴金屬催化化學(xué)腐蝕法法，其特征在于，步驟a用于光刻掩膜的光刻膠為SU-8負(fù)性光刻膠。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于單晶硅表面圖案化微加工的貴金屬催化化學(xué)腐蝕法法，其特征在于，所述步驟a所用光刻掩膜的光刻膠厚度為30~50 μ m。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于單晶硅表面圖案化微加工的貴金屬催化化學(xué)腐蝕法法，其特征在于，所述步驟b中貴金屬鹽溶液可采用濃度為0.02?0.06mol/L的硝酸銀溶液或0.005^0.01mol/L的氯金酸溶液。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于單晶硅表面圖案化微加工的貴金屬催化化學(xué)腐蝕法法，其特征在于，所述步驟b中氧化劑可采用3~6mol/L的過(guò)氧化氫<溶液、0.2~0.4mol/L的高錳酸鉀溶液或6~12mol/L的硝酸鐵溶液。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于單晶硅表面圖案化微加工的貴金屬催化化學(xué)腐蝕法法，其特征在于，所述步驟b采用的水浴溫度為2(T40°C。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于單晶硅表面圖案化微加工的貴金屬催化化學(xué)腐蝕法法，其特征在于，所述步驟c中單晶硅片的刻蝕速率為1(Γ20μπι/π?η。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于單晶硅表面圖案化微加工的貴金屬催化化學(xué)腐蝕法法，其特征在于，所述步驟e中去除光刻膠采用的是丙酮溶液浸泡20~30分鐘，且在室溫下。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于單晶硅表面圖案化微加工的貴金屬催化化學(xué)腐蝕法。本發(fā)明采用（100）或（111）單晶硅片，常溫下利用丙酮、無(wú)水乙醇和氫氟酸處理得到清潔的硅表面，然后在清潔的單晶硅表面上做設(shè)定圖案的光刻掩膜；配制氫氟酸/貴金屬鹽溶液/氧化劑均勻混合的腐蝕液并放入水浴中預(yù)熱，把硅片浸入腐蝕液，在一定的溶液配比下通過(guò)控制水浴溫度與反應(yīng)時(shí)間即可獲得表面圖案化微加工的單晶硅片。本發(fā)明利用特定貴金屬催化工藝技術(shù)，單步法即可實(shí)現(xiàn)硅片表面圖案的均勻腐蝕，并保持了近常溫、常壓下濕法腐蝕的特征，獲得表面圖案化微加工的單晶硅片，拓寬了貴金屬催化硅腐蝕的應(yīng)用范疇，為硅片表面圖案化微加工提供了新的思路和技術(shù)手段。
【IPC分類】C30B33/10
【公開號(hào)】CN105442049
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410440150
【發(fā)明人】李美成, 李瑞科, 白帆, 黃睿, 付鵬飛
【申請(qǐng)人】華北電力大學(xué)
【公開日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2014年9月1日