专利名称：一种高深宽比大孔硅微通道的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制作硅微通道的方法，具体涉及一种制作高深宽比的大孔硅微通道方法，属于微机电系统技术(MEMS)领域。
背景技术：
在微流体、微通道以及三维集成电路等方面的器件制造中，常需要制作晶片的深孔结构。因此，如何获得陡直的深孔结构成为微机电工艺中的焦点之一。为了获得比较陡直的结构，现有技术一般有以下几种一、干法工艺(深反应离子刻蚀等)。这些方法在制作诸如陀螺，加速度传感器等力学量的传感器取得了成功。但是仍存在诸多缺陷，比如1、深反应离子刻蚀设备非常昂贵，其维护和使用的费用也非常高；2、由于掩膜层等诸多因素的限制，深宽比要想突破50已经是非常困难。也就是说，想在硅片上刻蚀阱宽为2微米，深100微米的结构，采用DRIE几乎是办不到的。
二、湿法深刻蚀技术(又称宏多孔硅macroporous silicon)。它的工作原理是利用多孔硅的阳极氧化主要由空穴参与这一特点，利用MEMS工艺，通过掩膜，定义阱或孔的位置，利用硅的各向异性腐蚀，形成倒金字塔形凹坑，由于尖端放电的原因，凹坑的底部是空穴密度最高的地方，因而也是腐蚀最容易发生的地方，空穴可以利用光照或电注入等手段产生。通过该方法可以达到控制孔沿衬底的定向腐蚀。与DRIE技术相比，该方法在设备投资、使用的灵活性和运行费用上都有很大的提高，并可以达到很高的深宽比。但是，当所需要的孔的尺寸较大时，太大的腐蚀电流将会破坏原来设计的结构。
发明内容
本发明目的是克服现有技术不足而提供一种高深宽比大孔硅微通道的制作方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现利用光刻的办法，先定义孔的位置，再进行预腐蚀，当孔呈倒四棱台结构时停止腐蚀；随后进行电化学深刻蚀，沿着的四个倒四棱台顶角向下刻蚀一定深度，形成小孔的微通道结构；然后进行背面减薄至所刻蚀位置，再用超声波分离方法使得中间未刻蚀部分脱落，从而获得大孔硅微通道结构。
其具体制作步骤为1、电化学过程即在需要刻蚀的结构四周形成深槽结构，它包括(1)在衬底上表面淀积掩膜，光刻定义硅片孔的位置；(2)取出清洗，再使用氢氧化钾(KOH，浓度温度可采用20wt％60℃)或四甲基氢氧化铵(TMAOH，浓度温度为25wt％85℃)溶液预腐蚀处理1～3分钟，形成倒四棱台结构时，停止腐蚀，用去离子水冲洗硅片并烘干；(3)电化学深刻蚀若是n型硅，用40％的氢氟酸(HF)、水和无水乙醇(C2H5OH)以1∶7∶8混和的混合溶液作为阳极氧化溶液，对处理后的硅片进行阳极氧化，其电流密度在0.2mA～2mA/cm2之间，腐蚀在20℃温度下进行，腐蚀的平均速率为50μm/h左右，使腐蚀沿着倒四棱台的四个顶角向下刻蚀一定深度，形成小孔的微通道结构；若为p型硅，用40％的氢氟酸(HF)、水和二甲基甲酰胺(DMF)按1∶7∶8的比例混和所得溶液作为阳极氧化溶液，对经过处理后的硅片进行阳极氧化，其阳极氧化电流控制在0.5mA～10mA/cm2之间，腐蚀在0℃～25℃温度之间进行，腐蚀2小时，腐蚀的平均速率为50μm/h左右，使腐蚀沿着倒四棱台的四个顶角向下刻蚀一定深度，形成小孔的微通道结构；2、结构保护对腐蚀出的结构的内壁进行氧化或采用低压化学气相淀积法(LPCVD)淀积一层覆盖均匀的保护层，厚度在0.1～0.5微米之间；3、背面减薄背面开窗口，利用KOH(20wt％60℃)或TMAOH(25wt％85℃)腐蚀，直到与刻蚀的深槽结构相遇；4、超声波分离停止腐蚀，并根据步骤2中使用的保护材料的类型进行相应的预处理；然后在超声波中，上下方向轻轻搅拌实施分离，制得大孔硅微通道。
步骤1中所述的掩模，可针对不同类型的衬底可选用不同的材料对于n-型衬底，可采用氮化硅Si3N4作为掩模；对于p-型衬底，可采用SiO2作为掩模。
步骤4中所述的预处理，若是采用SiO2作为保护材料的，则采用氢氟酸先处理；若是使用氮化硅作为保护材料的，则需用130℃的磷酸煮一下。
在电化学刻蚀过程中，为了使背面具有良好的导电性，容易与背面电极形成欧姆接触，背面可先通过扩散或离子注入的办法来降低电阻率，均匀阳极氧化电流。
在电化学刻蚀过程中，电化学刻蚀中背面的接触还可以通过导电溶液与硅片的接触来达到均匀接触的目的。
在电化学刻蚀过程中，通过改变背面的光照强度来保证电流的恒定。
利用本发明所阐述的制作方法制作出的大孔硅微通道，可具有易得高深宽比的优点。
图1为本发明的制作工艺流程图；图中a淀积掩膜和光刻，b氢氧化钾腐蚀，c电化学深刻蚀，d背面减薄，e超声波分离图2为硅的电化学深刻蚀装置示意图。
具体实施例方式
下面将结合具体实施例，对本发明做进一步说明。
实施例11、选取n(100)硅，电阻率1欧姆/厘米；2、采用LPCVD低应力氮化硅(Si3N4)作为掩模；3、光刻定义好窗口(6μm×6μm)阵列后，取出清洗；再使用十六烷基三甲基溴化铵(TMAOH 25％85℃)处理1分钟；4、用去离子水冲洗烘干，再用40％的HF、无水乙醇C2H5OH按1∶7∶8的比例混和所得的混合溶液作为阳极氧化溶液，对经过处理后的硅片进行阳极氧化，阳极氧化在20℃中进行，其腐蚀的平均速率为50μm/h；腐蚀8小时；5、用干法氧化生成0.1微米的薄氧层，进行正面保护，用HF溶液腐蚀，去除背面氧化层；6、在硅片的背面用TMAOH(25wt％85℃)腐蚀，根据深刻蚀的微通道深度和背面碱减薄的速率，确定背面减薄的终止点；7、将硅片置于HF5％的溶液中1分钟，然后将硅片置于去离子水中，用超声波清洗机清洗，使得刻蚀硅的悬空部分分离，得到400μm深5μm宽的大孔的硅微通道结构。
实施例21、选取p(100)硅，电阻率25欧姆/厘米；2、采用LPCVD低应力二氧化硅(SiO2)作为掩模；3、光刻定义好窗口(6μm×6μm)阵列后，取出清洗；再使用KOH(20wt％60℃)处理3分钟；4、用去离子水冲洗烘干，再用氢氟酸(HF)、水和二甲基甲酰胺(DMF)按1∶7∶8的比例混和所得溶液作为阳极氧化溶液，对经过处理后的硅片进行阳极氧化，阳极氧化在20℃中进行，腐蚀2小时；5、用干法氧化生成0.1微米的薄氧层，进行正面保护；用氢氟酸(HF)腐蚀，去除背面氧化层；6、在硅片的背面用KOH(20wt％60℃)腐蚀，根据深刻蚀的微通道深度和背面减薄的速率，确定背面减薄的终止点；7、将硅片置于HF5％溶液中1分钟，然后将硅片置于去离子水中，用超声波清洗机清洗，使得刻蚀硅的悬空部分分离，得到400μm深5μm宽的大孔的硅微通道结构。
权利要求
1.一种高深宽比大孔硅微通道的制作方法，其制作步骤为A、电化学过程即在需要刻蚀的结构四周形成深槽结构，它包括(1)在衬底上表面淀积掩膜，光刻定义硅片孔的位置；(2)取出清洗，再使用氢氧化钾或十六烷基三甲基溴化铵溶液预腐蚀处理1～3分钟，形成倒四棱台结构时，停止腐蚀，用去离子水冲洗硅片并烘干；(3)电化学深刻蚀若衬底是n型硅，用40％的氢氟酸、水和无水乙醇的混合溶液作为阳极氧化溶液，对处理后的硅片进行阳极氧化，其电流密度在0.2mA～2mA/cm2之间，温度为20℃，使腐蚀沿着倒四棱台的四个顶角向下刻蚀一定深度，形成小孔的微通道结构；若衬底为p型硅，用40％的氢氟酸、水和二甲基甲酰胺的混和溶液作为阳极氧化溶液，对经过处理后的硅片进行阳极氧化，其阳极氧化电流控制在0.5mA～10mA/cm2之间，腐蚀在0℃～25℃温度之间进行，使腐蚀沿着倒四棱台的四个顶角向下刻蚀一定深度，形成小孔的微通道结构；B、结构保护对腐蚀出的结构的内壁进行氧化或采用低压化学气相淀积法淀积一层覆盖均匀的保护层；C、背面减薄背面开窗口，利用氢氧化钾或十六烷基三甲基溴化铵溶液腐蚀，直到与刻蚀的深槽结构相遇；D、超声波分离停止腐蚀，并进行相应的预处理；然后在超声波中，上下方向轻轻搅拌实施分离，制得大孔硅微通道。
2.根据权利要求1所述的一种高深宽比大孔硅微通道的制作方法，其特征在于步骤A中所述的掩模，对于n-型硅衬底，采用氮化硅作为掩模；对于p-型硅衬底，可采用SiO2作为掩模。
3.根据权利要求1所述的一种高深宽比大孔硅微通道的制作方法，其特征在于所述A步骤中的氢氟酸、水和无水乙醇的体积比为1∶7∶8；40％的氢氟酸、水和二甲基甲酰胺按的体积比为1∶7∶8。
4.根据权利要求1所述的一种高深宽比大孔硅微通道的制作方法，其特征在于步骤B中所述的淀积保护层厚度在0.1～0.5微米之间。
5.根据权利要求1所述的一种高深宽比大孔硅微通道的制作方法，其特征在于步骤D中所述的预处理，若是采用二氧化硅作为保护材料的，则采用氢氟酸处理；若是使用氮化硅作为保护材料的，则用磷酸煮一下进行处理。
6.根据权利要求1所述的一种高深宽比大孔硅微通道的制作方法，其特征在于在电化学刻蚀过程中，为了使背面具有良好的导电性，容易与背面电极形成欧姆接触，采用背面先通过扩散或离子注入的办法来降低电阻率的办法，均匀阳极氧化电流。
7.根据权利要求6所述的一种高深宽比大孔硅微通道的制作方法，其特征在于在电化学刻蚀过程中，电化学刻蚀中背面的接触通过导电溶液与硅片的接触来达到均匀接触的目的。
8.根据权利要求1所述的一种高深宽比大孔硅微通道的制作方法，其特征在于在电化学刻蚀过程中，通过改变背面的光照强度来保证电流的恒定。
全文摘要
一种高深宽比大孔硅微通道的制作方法，其制作步骤为1、电化学过程包括(1)在衬底上表面淀积掩膜，光刻定义硅片孔的位置；(2)取出清洗，再使用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵溶液预腐蚀处理1～3分钟，形成倒四棱台结构时，停止腐蚀；(3)电化学深刻蚀；2、结构保护对腐蚀出的结构的内壁进行氧化或采用低压化学气相淀积法淀积一层覆盖均匀的保护层；3、背面减薄背面开窗口，利用KOH或TMAOH腐蚀，直到与刻蚀的深槽结构相遇；4、超声波分离停止腐蚀，预处理后，在超声波中，上下方向轻轻搅拌实施分离，制得大孔硅微通道。利用本发明所阐述的制作方法制作出的大孔硅微通道，可具有易得高深宽比的优点。
文档编号B81C1/00GK1837027SQ200610025900
公开日2006年9月27日 申请日期2006年4月21日 优先权日2006年4月21日
发明者王连卫, 吴俊徐 申请人:华东师范大学