一种用于单晶硅表面图案化微加工的贵金属催化化学腐蚀法
【技术领域】
[0001]本发明属于微加工技术领域，特别涉及一种在单晶硅片表面进行图案化微加工的贵金属催化化学腐蚀法。具体涉及利用贵金属催化化学腐蚀对单晶硅片表面进行图案化微加工的工艺技术。
【背景技术】
[0002]硅表面微加工是一种通过物理、化学等方法对硅衬底进行精细化加工的技术，广泛应用于微电子领域。各向异性湿法化学腐蚀法是一种常见的硅表面微加工方法，其原理是利用腐蚀液在硅的各个晶向上腐蚀速率的不同来制作不同的微机械结构或微机械零件。湿法化学腐蚀法主要通过对硅的深腐蚀和硅片的整体键合来实现，能够将加工的几何尺寸控制在微米级。此外，湿法化学腐蚀具有使用设备简便、成本低廉、加工量可控、加工范围宽等优点，并且克服了物理加工法会在加工表面形成微米或亚微米级机械损伤层的缺点，可以提高器件的稳定性和成品率。贵金属催化腐蚀是一种新型的湿法化学腐蚀技术，已成功应用于制备硅纳米线、多孔硅等硅表面微纳结构。本发明利用贵金属催化特性，采用特定技术方案单步法实现单晶硅片表面的均匀腐蚀，获得表面光滑平整的图案化微加工结构。与传统的硅表面微加工技术相比，这种贵金属催化腐蚀技术具有明显的优势:一方面，此方法在常温常压下，通过单步实现表面微加工，同时不需要复杂的高温和高压设备、操作简单、成本低，且用于加工的硅片尺寸不受限制，易应用于工业化生产；另一方面，本方法腐蚀速率快、可重复性好；且加工效果好，微加工后的硅表面光滑平整、加工好的图案清晰，且图案边缘光亮平整，无明显崩边、微裂纹等缺陷，与设定的图案相符。该发明利用贵金属催化腐蚀方法，采用简单、高效的技术工艺，对单晶硅表面进行图案化微加工具有现实的应用价值。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提出一种用于单晶硅表面图案化微加工的贵金属催化化学腐蚀法，其特征在于利用贵金属催化单晶硅腐蚀的特性，将做好光刻掩膜的单晶硅片浸入氢氟酸/贵金属盐溶液/氧化剂均匀混合的腐蚀液中，采用单步法即可实现对单晶硅片表面进行图案化微加工。具体步骤如下:
a.预处理硅片:利用丙酮超声去除油污，去离子水反复冲洗干净；利用无水乙醇超声去除残留丙酮，去离子水反复冲洗干净；利用氢氟酸去除氧化层，去离子水反复冲洗干净，得到清洁的硅表面；然后把处理好的硅片做指定图案的光刻掩膜。
[0004]b.配制腐蚀液:配制一定浓度范围的氢氟酸/贵金属盐溶液/氧化剂混合溶液，搅拌5?lOmin,使溶液各组分混合均勻,然后把搅拌好的腐蚀液放入水浴中预热。
[0005]c.硅片表面微加工:把预处理后的硅片浸入腐蚀液中反应。在一定溶液组分与配比下，控制水浴温度和反应时间均可控制硅片的腐蚀深度，硅片的刻蚀速率为10?20μπι/min;反应一定时间后，取出微加工后的硅片，迅速用去离子水反复冲洗干净。
[0006]d.去除光刻胶:把微加工后的娃片浸入丙酮中浸泡20?30min,去除光刻胶，然后用去离子水反复冲洗干净。
[0007]e.去除微加工后硅片表面残余贵金属颗粒:采用王水浸泡20?40min，彻底去除硅表面少量的残余贵金属颗粒，然后用去离子水反复冲洗干净；放入真空干燥箱干燥，干燥器中保存。
[0008]所述步骤a采用的氢氟酸的浓度为7.3mol/L ;采用的光刻胶为SU_8负性光刻胶，厚度为30?50μπι。
[0009]所述步骤b采用的水浴温度为20?40°C，预热时间为5?lOmin。
[0010]所述步骤c采用的腐蚀液中，氢氟酸浓度为4?7mol/L，贵金属盐溶液可采用浓度为0.02?0.06mol/L的硝酸银溶液或0.005?0.0lmol/L的氯金酸溶液；氧化剂可采用3?6mol/L的过氧化氢溶液、0.2?0.4mol/L的高锰酸钾溶液或6?12mol/L的硝酸铁溶液。
[0011 ] 所述步骤c采用的反应时间为1?5min (以水浴温度25°C为例)。
[0012]所述硅片为(100)或(111)单晶硅片，其电阻率在7?13Ω.cm。
[0013]本发明的有益效果是:采用本发明的方法可简易、快速地制备出可控加工深度的图案化微加工单晶硅片。本发明拓宽了贵金属催化硅腐蚀的应用范畴，为硅片表面的图案化微加工技术提供了新的思路。本发明具有近常温、常压下单步法实现单晶硅片表面图案化微加工的技术特征，由于成本低、工艺简单、效率高，且对于要加工硅片的尺寸没有限制，因此易于在硅微加工器件制备中形成产业化应用。
【附图说明】
[0014]图1是在p型(100) Si上经过图案化微加工后的表面形貌。
【具体实施方式】
[0015]本发明提出一种基于贵金属催化的单晶硅片表面图案化微加工的湿化学腐蚀法。下面结合附图和实施例对本发明予以进一步说明。
[0016]实施例1
1.采用电阻率为7?13 Ω._的(100)单晶硅片，在丙酮中超声清洗lOmin，采用去离子水冲洗3次；然后在无水乙醇中超声清洗lOmin，采用去离子水清洗3次；之后常温下在浓度为7.3mol/L的氢氟酸中浸泡5min，用去离子水冲洗2min ;真空干燥lOmin，然后做指定图案的光刻掩膜，采用的光刻胶为SU-8负性光刻胶，厚度为30?50 μ m。
[0017]2.用40% (wt)氢氟酸、30% (wt)双氧水、去离子水以及硝酸银晶体，配制成以下浓度混合液(以下称腐蚀液):氢氟酸浓度为5mol/L，过氧化氢溶液浓度为5mol/L，硝酸银浓度为0.02mol/L ;搅拌lOmin，促进各组分混合均匀；放入25°C的水浴中预热。
[0018]3.把做好光刻掩膜处理后的单晶硅片水平浸入腐蚀液中，在25°C水浴中反应；控制水浴温度与反应时间获得所需腐蚀深度的图案化微加工单晶硅片。如图1所示，以取向(100)的单晶硅片为例，均为在25 °C水浴中反应lmin所得到表面图案化微加工后的单晶硅片。
[0019]4.腐蚀反应至预期的时间，取出微加工后的硅片，迅速用去离子水反复冲洗5次，防止单晶硅片表面的残余腐蚀液继续反应。
[0020]5.把冲洗干净的微加工后的硅片浸入丙酮中浸泡20min，去除光刻胶，然后用去离子水反复冲洗5次。
[0021]6.采用王水浸泡30min，去除硅表面残余银，然后用去离子水反复冲洗5次；抽真空干燥，干燥器中保存。
[0022]本发明采用(100)单晶硅片，利用丙酮、无水乙醇和氢氟酸预处理得到清洁的硅表面，避免了传统清洗方法的高温加热、工艺复杂、效率较低、且所需原料有毒的缺点。配制由氢氟酸、硝酸银和氧化剂均匀混合而成的腐蚀液，并放入25°C水浴中预热；将做好光刻掩膜处理的硅片浸入腐蚀液中，在硅片表面贵金属颗粒自沉积与催化腐蚀的作用下，硅片表面图案被均匀腐蚀。反应一定时间后，取出微加工好的硅片，用去离子水反复冲洗干净，然后再用丙酮浸泡20min去除刻蚀液；最后，用王水浸泡30min去除残余的银，然后用去离子水反复冲洗干净。
【主权项】
1.一种用于单晶硅表面图案化微加工的贵金属催化化学腐蚀法，其特征在于，采用贵金属催化硅腐蚀特性，单步法实现单晶硅片表面图案化微加工过程；具体步骤如下: a.预处理硅片:利用丙酮超声去除油污，去离子水冲洗干净；利用无水乙醇超声去除残留丙酮，去离子水冲洗干净；利用氢氟酸去除氧化层，去离子水冲洗干净，得到清洁的硅表面；然后把处理好的硅片做指定图案的光刻掩膜； b.配制腐蚀液:配制一定浓度范围的氢氟酸/贵金属盐溶液/氧化剂混合溶液，搅拌5~10min，使溶液各组分混合均匀，然后把搅拌好的腐蚀液放入水浴中预热； c.石圭片表面微加工:把预处理后的娃片浸入腐蚀液中反应； 在一定溶液组分与配比下，控制水浴温度和反应时间均可控制硅片的腐蚀深度，硅片的刻蚀速率为1(Γ20μηι/η?η ;反应一定时间后，取出微加工后的娃片，迅速用去离子水反复冲洗干净； d.去除光刻胶:把微加工后的硅片浸入丙酮中浸泡2(T30min，去除光刻胶，然后用去离子水反复冲洗干净； e.去除微加工后硅片表面残余贵金属颗粒:采用王水浸泡2(T40min，彻底去除硅表面少量的残余贵金属颗粒，然后用去离子水反复冲洗干净；放入真空干燥箱干燥，干燥器中保存。2.根据权利要求1所述一种用于单晶硅表面图案化微加工的贵金属催化化学腐蚀法法，其特征在于，步骤a用于光刻掩膜的光刻胶为SU-8负性光刻胶。3.根据权利要求1所述一种用于单晶硅表面图案化微加工的贵金属催化化学腐蚀法法，其特征在于，所述步骤a所用光刻掩膜的光刻胶厚度为30~50 μ m。4.根据权利要求1所述一种用于单晶硅表面图案化微加工的贵金属催化化学腐蚀法法，其特征在于，所述步骤b中贵金属盐溶液可采用浓度为0.02?0.06mol/L的硝酸银溶液或0.005^0.01mol/L的氯金酸溶液。5.根据权利要求1所述一种用于单晶硅表面图案化微加工的贵金属催化化学腐蚀法法，其特征在于，所述步骤b中氧化剂可采用3~6mol/L的过氧化氢<溶液、0.2~0.4mol/L的高锰酸钾溶液或6~12mol/L的硝酸铁溶液。6.根据权利要求1所述一种用于单晶硅表面图案化微加工的贵金属催化化学腐蚀法法，其特征在于，所述步骤b采用的水浴温度为2(T40°C。7.根据权利要求1所述一种用于单晶硅表面图案化微加工的贵金属催化化学腐蚀法法，其特征在于，所述步骤c中单晶硅片的刻蚀速率为1(Γ20μπι/π?η。8.根据权利要求1所述一种用于单晶硅表面图案化微加工的贵金属催化化学腐蚀法法，其特征在于，所述步骤e中去除光刻胶采用的是丙酮溶液浸泡20~30分钟，且在室温下。
【专利摘要】本发明公开了一种用于单晶硅表面图案化微加工的贵金属催化化学腐蚀法。本发明采用（100）或（111）单晶硅片，常温下利用丙酮、无水乙醇和氢氟酸处理得到清洁的硅表面，然后在清洁的单晶硅表面上做设定图案的光刻掩膜；配制氢氟酸/贵金属盐溶液/氧化剂均匀混合的腐蚀液并放入水浴中预热，把硅片浸入腐蚀液，在一定的溶液配比下通过控制水浴温度与反应时间即可获得表面图案化微加工的单晶硅片。本发明利用特定贵金属催化工艺技术，单步法即可实现硅片表面图案的均匀腐蚀，并保持了近常温、常压下湿法腐蚀的特征，获得表面图案化微加工的单晶硅片，拓宽了贵金属催化硅腐蚀的应用范畴，为硅片表面图案化微加工提供了新的思路和技术手段。
【IPC分类】C30B33/10
【公开号】CN105442049
【申请号】CN201410440150
【发明人】李美成, 李瑞科, 白帆, 黄睿, 付鹏飞
【申请人】华北电力大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2014年9月1日