專利名稱：一種磁場(chǎng)輔助的硅微納加工工藝及裝備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納制造領(lǐng)域，更具體地，涉及一種磁場(chǎng)輔助的硅微納結(jié)構(gòu)金屬催化刻蝕工藝及裝備。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)因其在電子和光子領(lǐng)域具有極好的應(yīng)用前景而引起研究者極大的興趣。硅作為半導(dǎo)體工業(yè)的核心材料，其微納結(jié)構(gòu)更是受到前所未有的關(guān)注，并且硅微納結(jié)構(gòu)能夠與目前商業(yè)化的電子器件相兼容，具有良好的市場(chǎng)前景。硅納米結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)被成功用于生物或化學(xué)傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管、鋰電池、太陽(yáng)能電池以及其他光伏器件，并且所得器件具有非常優(yōu)異的特性。娃微米結(jié)構(gòu)刻蝕,尤其是娃深刻蝕結(jié)構(gòu)，目前一般利用ICP設(shè)備,米用Bosch工藝。該工藝采用刻蝕氣體和鈍化氣體重復(fù)交替刻蝕以提高硅刻蝕的選擇性和深寬比，但這種工藝難以避免的會(huì)在刻蝕側(cè)壁產(chǎn)生波紋。其側(cè)壁粗糙度及垂直度難以提高。另外利用上述工藝刻蝕硅通孔結(jié)構(gòu)需要上百次的循環(huán)，光刻膠很可能會(huì)被破壞，難以保護(hù)硅片表面，影響表面質(zhì)量。此外ICP刻蝕價(jià)格高昂，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的普及應(yīng)用造成影響。研究者嘗試用各種方法制備硅納米結(jié)構(gòu)，例如熱蒸發(fā)、水熱法、CVD-VLS工藝等等。然而所得納米結(jié)構(gòu)都有很大的缺陷，比如，納米線的方向很混亂，粗細(xì)長(zhǎng)短在很大程度上難以控制。也就是說(shuō)利用這些方法制備得到可控的制備硅納米結(jié)構(gòu)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。近年來(lái)，金屬催化刻蝕工藝快速發(fā)展，利用單一貴金屬顆粒或薄膜可以實(shí)現(xiàn)納米尺度圖形的深刻蝕，但實(shí)現(xiàn)微米尺度刻蝕仍然非常困難，而且對(duì)于微納尺度三維結(jié)構(gòu)的刻蝕難以實(shí)現(xiàn)。因此，開(kāi)發(fā)出高效、低成本的制造工藝及設(shè)備，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種磁場(chǎng)輔助的硅微納加工工藝，解決現(xiàn)有技術(shù)可控性差的問(wèn)題。本發(fā)明的另一目的在于提供一種磁場(chǎng)輔助的硅微納加工裝備，解決現(xiàn)有技術(shù)可控性差的問(wèn)題，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易操作。一種磁場(chǎng)輔助的硅微納加工工藝，包括以下步驟I)在單晶硅片上旋涂光刻膠，并在光刻膠上光刻微納尺度圖案；2)在光刻膠表面依次鍍上金屬膜A、B和A,金屬膜A為金或銀,金屬膜B為鐵；3)將單晶娃片置于磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向可調(diào)的磁場(chǎng)環(huán)境中，米用HF和H2O2的混合溶液作為刻蝕劑對(duì)單晶硅片進(jìn)行金屬催化刻蝕；4)去除光刻膠和殘留的金屬膜，并清洗干凈。進(jìn)一步地，所述磁場(chǎng)其強(qiáng)度為500 20000e。進(jìn)一步地，所述刻蝕劑中的HF的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為59Tl5%，H2O2的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為O. 8% 3%。進(jìn)一步地，采用光學(xué)光刻或電子束光刻在光刻膠上光刻微納尺度圖案。進(jìn)一步地，所述鍍膜工藝為磁控濺射、電子束蒸發(fā)或電鍍工藝中的一種。進(jìn)一步地，所述步驟2)所形成的三層金屬膜的厚度各為8 12nm。一種磁場(chǎng)輔助的硅微納加工工藝裝備，包括儲(chǔ)液裝置、溶液流量控制裝置、反應(yīng)密封腔、電磁場(chǎng)控制系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；儲(chǔ)液裝置包括一個(gè)腔體，腔體內(nèi)設(shè)有三個(gè)分別存儲(chǔ)HF、H2O2、去離子水的容器以及加壓設(shè)備，各容器管道連接溶液流量控制裝置；加壓設(shè)備提供壓力，促使容器內(nèi)的溶液經(jīng)過(guò) 管道流入溶液流量控制裝置；溶液流量控制裝置用于控制三容器中溶液流入反應(yīng)密封腔的流量，其包括三個(gè)分別與儲(chǔ)液裝置中三容器一一連通的通道以及溶液混合器，各通道上分別設(shè)有電磁閥和流量計(jì)，三通道匯聚于溶液混合器，溶液混合器通過(guò)管道連通反應(yīng)密封腔；反應(yīng)密封腔用于刻蝕反應(yīng)；電磁場(chǎng)控制系統(tǒng)用于向反應(yīng)密封腔提供磁場(chǎng)環(huán)境；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)電連接電磁場(chǎng)控制系統(tǒng)、各電磁閥以及各流量計(jì)，用于依據(jù)預(yù)定的流量配比和各流量計(jì)反饋的流量控制電磁閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間，并控制電磁場(chǎng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度和方向的磁場(chǎng)。本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在金屬催化刻蝕工藝是是一種制備條件溫和、設(shè)備簡(jiǎn)單、反應(yīng)迅速的硅納米線陣列及硅納米結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)，本發(fā)明通過(guò)改善金屬催化薄膜的組成成分和結(jié)構(gòu)，并在反應(yīng)引入磁場(chǎng)，通過(guò)磁場(chǎng)對(duì)鐵膜的吸引作用誘導(dǎo)金屬膜沿磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，刻蝕反應(yīng)沿著磁場(chǎng)方向進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)了刻蝕方向的可控，鐵膜較為堅(jiān)硬致密，鐵膜的加入使的三層金屬膜在腐蝕過(guò)程中能夠保持很好的完整性，使微米尺度的腐蝕得以實(shí)現(xiàn)，得到的硅微納結(jié)構(gòu)其尺度可以跨越數(shù)十納米至數(shù)百微米。另外本發(fā)明提供的相應(yīng)的刻蝕裝備使磁場(chǎng)輔助金屬催化刻蝕工藝的安全、自動(dòng)化操作得以實(shí)現(xiàn)，使高效率、低成本制備高深寬比硅微納結(jié)構(gòu)或通孔得以實(shí)現(xiàn)。


圖I為本發(fā)明制造工藝流程圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的硅微米結(jié)構(gòu)示意圖，圖2a、b為花鍵槽結(jié)構(gòu)的俯視和剖視圖，圖2c、d為微納米柱陣列結(jié)構(gòu)的俯視和剖視圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例二所制得的硅微米結(jié)構(gòu)示意圖，圖3a、b為金屬圓塊刻蝕形成微納流道，圖3c、d為金屬光柵刻蝕形成Z型槽。圖4微本發(fā)明實(shí)施例三所制得的硅納米結(jié)構(gòu)示意圖，圖4a、b為金屬薄膜網(wǎng)刻蝕形成彎曲納米柱陣列。圖5為本發(fā)明工藝裝備示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述。
本發(fā)明技術(shù)思路為在刻蝕過(guò)程中調(diào)整磁場(chǎng)方向及強(qiáng)度，通過(guò)控制電磁鐵中的電流控制磁場(chǎng)強(qiáng)度，電磁鐵可以沿著預(yù)定弧線軌道運(yùn)動(dòng)以調(diào)整方向，由此可以形成各種微納米尺度娃結(jié)構(gòu)。所述微納米尺度指微米尺度或納米尺度。磁場(chǎng)方向引導(dǎo)刻蝕方向，從而影響硅結(jié)構(gòu)；磁場(chǎng)強(qiáng)度影響刻蝕速度，強(qiáng)度越大，刻蝕速度越快。實(shí)施例一參見(jiàn)圖I和圖2，圖I是按照本發(fā)明的制造方法的工藝流程圖。圖2是按照本發(fā)明的實(shí)施例一所制得的硅微納結(jié)構(gòu)示意圖，如圖I和圖2中所示，本實(shí)例中磁場(chǎng)輔助的硅微納加工工藝包括下列具體步驟(I)清洗單晶硅片，然后在其表面上旋涂AZ5214光刻膠，并通過(guò)光刻工藝將掩膜上目標(biāo)硅結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的微米尺度圖形即結(jié)構(gòu)為微米量級(jí)的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，由此形成微米尺度的光刻膠圖形。 (2)在形成有上述微米圖形的單晶硅片上，采用鍍膜工藝?yán)珉娮邮舭l(fā)或磁控濺射工藝依次鍍上金膜12nm、鐵膜8nm、金膜8nm。(3)采用HF和H2O2的混合溶液作為刻蝕劑，對(duì)單晶硅片進(jìn)行金屬催化刻蝕，刻蝕反應(yīng)處在磁場(chǎng)之中，磁場(chǎng)強(qiáng)度為5000e,磁場(chǎng)方向垂直于娃片表面，由此可以刻蝕出各種形狀垂直通孔結(jié)構(gòu)，所述混合溶液中，HF和H2O2的質(zhì)量百分比分別為5%和O. 8% ；(4)使用丙酮超聲清洗硅片lOmin，由此將光刻膠去除；(5)使用王水(HCl :HN03=3:1)浸泡硅片，去除硅片上殘留的金屬薄膜；然后用大量去離子水沖洗硅片。實(shí)施例二參見(jiàn)圖I和圖3，圖3是按照本發(fā)明的實(shí)施例二所制得的三維硅微納結(jié)構(gòu)示意圖。其具體制造工藝步驟包括(I)清洗單晶硅片，然后在其表面上旋涂光刻膠，并通過(guò)光學(xué)光刻將掩膜上目標(biāo)硅結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的微米尺度圖形即結(jié)構(gòu)為微米量級(jí)的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，由此形成微米尺度的光刻膠圖形。(2)在形成有上述微納米尺度圖形的單晶硅片上，采用適當(dāng)?shù)腻兡すに嚴(yán)珉娮邮舭l(fā)或磁控濺射工藝依次鍍上銀膜8nm、鐵膜12nm、銀膜10nm。(3)采用HF和H2O2的混合溶液作為刻蝕劑，對(duì)單晶硅片進(jìn)行金屬催化刻蝕，刻蝕反應(yīng)處在磁場(chǎng)之中，(a)光刻圖形為微米或納米尺度的圓孔，磁場(chǎng)強(qiáng)度為15000e，磁場(chǎng)方向從垂直于硅片表面變化至平行于硅片表面，(b)光刻圖形為微米尺度的光柵，磁場(chǎng)強(qiáng)度為20000e,磁場(chǎng)方向傾斜于娃片表面并周期性變化。由此可以刻蝕出各種娃微米尺度結(jié)構(gòu),所述混合溶液中，HF和H2O2的質(zhì)量百分比分別為15%和3% ；(4)使用丙酮超聲清洗硅片lOmin，由此將光刻膠去除；(5)使用王水(HCl :HN03=3:1)浸泡硅片，去除硅片上殘留的金屬薄膜；然后用大量去離子水沖洗硅片。實(shí)施例三參見(jiàn)圖I和圖4，圖4是按照本發(fā)明的實(shí)施例三所制得的三維硅納米結(jié)構(gòu)示意圖。其具體制造工藝步驟包括( I)清洗單晶硅片，然后在其表面上旋涂光刻膠，并通過(guò)電子束光刻工藝將納米圓柱陣列圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，由此形成納米尺度的光刻膠圓柱陣列。(2)在形成有上述光刻膠納米圓柱的單晶硅片上，采用適當(dāng)?shù)腻兡すに嚴(yán)珉娮邮舭l(fā)或磁控濺射工藝依次鍍上金膜10nm、鐵膜10nm、金膜12nm。(3)采用HF和H2O2的混合溶液作為刻蝕劑，對(duì)單晶硅片進(jìn)行金屬催化刻蝕，刻蝕反應(yīng)處在磁場(chǎng)之中，磁場(chǎng)強(qiáng)度為8000e磁場(chǎng)方向周期性的逐漸改變方向，由此可以刻蝕出弧線彎曲硅納米線結(jié)構(gòu)，所述混合溶液中，HF和H2O2的質(zhì)量百分比分別為10%和2% ；(4)去除光刻膠及硅片上殘留的金屬薄膜；然后用大量去離子水沖洗硅片。圖5為本發(fā)明工藝裝備示意圖，裝備包括儲(chǔ)液裝置I、溶液流量控制裝置2、反應(yīng)密封腔3、電磁場(chǎng)控制系統(tǒng)4以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)5。
儲(chǔ)液裝置I包括一個(gè)腔體，腔體內(nèi)設(shè)有三個(gè)分別存儲(chǔ)HF、H2O2、去離子水的容器以及加壓設(shè)備，容器通過(guò)管道和溶液流量控制裝置連通反應(yīng)密封腔3。加壓設(shè)備提供壓力，促 使容器內(nèi)的溶液經(jīng)過(guò)管道，在溶液流量控制裝置控制下流入反應(yīng)密封腔3。溶液流量控制裝置用于控制上述三容器流入反應(yīng)密封腔3的流量，包括三個(gè)分別與儲(chǔ)液裝置I的容器一一連通的通道，各通道上分別設(shè)有電磁閥和流量計(jì).三通道匯聚于溶液混合器，溶液混合器通過(guò)管道連通反應(yīng)密封腔3。反應(yīng)密封腔3為刻蝕反應(yīng)的容器，需要實(shí)現(xiàn)密封、恒溫等功能。電磁場(chǎng)控制系統(tǒng)4用于提供磁場(chǎng)環(huán)境，采用電磁體方式，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)方向可調(diào)，電磁鐵的位置可調(diào)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)5電連接電磁場(chǎng)控制系統(tǒng)4、各電磁閥以及各流量計(jì)，用于依據(jù)預(yù)定的流量配比和各流量計(jì)反饋的流量控制電磁閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間，并控制電磁場(chǎng)控制系統(tǒng)4產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度和方向的磁場(chǎng)。所有接觸到HF的管道及容器均采用聚四氟乙烯為材料。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種磁場(chǎng)輔助的硅微納加工工藝，包括以下步驟 1)在單晶硅片上旋涂光刻膠，并在光刻膠上光刻微納尺度圖案； 2)在光刻膠表面依次鍍上金屬膜A、B和A，金屬膜A為金或銀，金屬膜B為鐵； 3)將單晶硅片置于磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向可調(diào)的磁場(chǎng)環(huán)境中，采用HF和H2O2的混合溶液作為刻蝕劑對(duì)單晶硅片進(jìn)行金屬催化刻蝕； 4)去除光刻膠和殘留的金屬膜，并清洗干凈。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁場(chǎng)輔助的硅微納加工工藝，其特征在于，所述磁場(chǎng)其強(qiáng)度為 500 20000e。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁場(chǎng)輔助的硅微納加工工藝，其特征在于，所述刻蝕劑中的HF的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為59Tl5%，H2O2的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為O. 8% 3%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁場(chǎng)輔助的娃微納加工工藝，其特征在于，米用光學(xué)光刻或電子束光刻在光刻膠上光刻微納尺度圖案。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁場(chǎng)輔助的硅微納加工工藝，其特征在于，所述步驟(2)的鍍膜工藝為磁控濺射、電子束蒸發(fā)或電鍍工藝中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5所述的磁場(chǎng)輔助的硅微納加工工藝，其特征在于，所述步驟(2)所形成的三層金屬膜的厚度各為8 12nm。
7.一種磁場(chǎng)輔助的硅微納加工工藝裝備，包括儲(chǔ)液裝置、溶液流量控制裝置、反應(yīng)密封腔、電磁場(chǎng)控制系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)； 儲(chǔ)液裝置包括一個(gè)腔體，腔體內(nèi)設(shè)有三個(gè)分別存儲(chǔ)HF、H2O2、去離子水的容器以及加壓設(shè)備，各容器管道連接溶液流量控制裝置；加壓設(shè)備提供壓力，促使容器內(nèi)的溶液經(jīng)過(guò)管道流入溶液流量控制裝置； 溶液流量控制裝置用于控制三容器中的液體流入反應(yīng)密封腔的流量，其包括三個(gè)分別與儲(chǔ)液裝置中三容器一一連通的通道以及溶液混合器，各通道上分別設(shè)有電磁閥和流量計(jì)，三通道匯聚于溶液混合器，溶液混合器通過(guò)管道連通反應(yīng)密封腔； 反應(yīng)密封腔用于刻蝕反應(yīng)； 電磁場(chǎng)控制系統(tǒng)用于向反應(yīng)密封腔提供磁場(chǎng)環(huán)境； 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)電連接電磁場(chǎng)控制系統(tǒng)、各電磁閥以及各流量計(jì)，用于依據(jù)預(yù)定的流量配比和各流量計(jì)反饋的流量控制電磁閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間，并控制電磁場(chǎng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度和方向的磁場(chǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種磁場(chǎng)輔助的硅微納加工工藝，具體為在單晶硅片上旋涂光刻膠，由光刻得到所需微納尺度圖案；在所得樣品表面依次鍍上金屬膜A、B和A，金屬膜A為金或銀，金屬膜B為鐵；采用HF和H2O2的混合溶液作為刻蝕劑對(duì)單晶硅片進(jìn)行金屬催化刻蝕，反應(yīng)處于強(qiáng)度和方向可調(diào)的磁場(chǎng)環(huán)境中；去除光刻膠和殘留的金屬膜，并清洗干凈。本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)上述工藝的裝備，包括儲(chǔ)液裝置、溶液流量控制裝置、反應(yīng)密封腔、電磁場(chǎng)控制系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。本發(fā)明在刻蝕反應(yīng)中引入磁場(chǎng)，通過(guò)磁場(chǎng)對(duì)鐵膜的吸引作用誘導(dǎo)金屬膜沿磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，刻蝕反應(yīng)沿著磁場(chǎng)方向進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)了刻蝕方向的可控。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102732885SQ201210192208
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者史鐵林, 夏奇, 孫博, 廖廣蘭, 張康, 湯自榮, 盛文軍 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)