一种变截面硅孔和硅通道的刻蚀方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微米纳米级材料加工技术领域，尤其涉及一种变截面硅孔和硅通道的刻蚀方法。
【背景技术】
[0002]在半导体材料的加工过程中，刻蚀是比较重要的加工手段，是利用化学或物理的方法有选择性地从硅片表面去除不需要部分的过程。从工艺上区分，刻蚀可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀的特点是各向同性刻蚀;干法刻蚀是利用等离子体来进行各向异性刻蚀。目前干法刻蚀工艺在半导体的制造工艺中较常见。
[0003]在半导体干法刻蚀工艺中，硅刻蚀最为常见，除了应用在半导体器件中，还广泛应用于生物微流体领域和仿生结构构筑领域。此领域要求硅刻蚀不仅有一定的深度还要有特定的陡直度。
[0004]硅刻蚀陡直度的调整针对不同工艺有不同的调整方法，共同点都是在刻蚀过程中生成一种聚合物沉积在侧壁形成钝化层阻止了横向刻蚀，沉积速率和刻蚀速率决定了侧壁的陡直度。
[0005]目前，硅刻蚀的侧壁主要有两种:陡直度为90度的垂直结构，和陡直度非90度的倾斜结构。特别是在生物仿生领域往往要求侧壁非单一的陡直或倾斜，而是具有特定的曲率，即变截面结构。但是现有的硅刻蚀方法很难实现在硅刻蚀的侧壁上刻蚀出具有变截面(如具有一定弯曲度)的硅孔结构及硅槽微通道结构。
[0006]鉴于上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种变截面硅孔和硅通道的刻蚀方法。
【发明内容】
[0007](一)要解决的技术问题
[0008]本发明要解决的技术问题是提供了一种变截面硅孔和硅通道的刻蚀方法，其工艺过程可控性强，具有良好的可重复性，刻蚀出的硅孔或硅通道能满足微流体通道和仿生结构构筑领域的各项要求。
[0009](二)技术方案
[0010]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种变截面硅孔和硅通道的刻蚀方法，包括以下各步骤:
[0011 ] S1、光刻:在硅片上旋涂一层光刻掩膜层，然后对所述硅片进行光刻，得到具有图案化的硅片；
[0012]S2、第一次干法刻蚀:利用干法刻蚀方法对所述图案化的硅片进行各向异性垂直刻蚀，得到具有垂直向下的等截面刻蚀柱孔的第一次刻蚀硅片；
[0013]S3、沉积:对所述第一次刻蚀硅片进行各向同性沉积，得到具有钝化层的沉积后的娃片；
[0014]S4、第二次干法刻蚀:利用干法刻蚀方法对所述沉积后的硅片进行各向同性刻蚀，得到第二次刻蚀硅片；
[0015]所述第二次刻蚀硅片具有变截面刻蚀柱孔；
[0016]S5、去胶:对所述第二次刻蚀硅片进行清洗去胶，即得。
[0017]进一步的，所述步骤SI中，所述光刻是采用紫外光刻或电子束曝光的方法使所述硅片的表面形成图案化的二维结构。
[0018]进一步的，所述步骤S2中，所述第一次干法刻蚀是通过等离子体干法刻蚀的方法向所述图案化的硅片通入第一气体，以对所述图案化的硅片进行各向异性的垂直向下的刻蚀。
[0019]进一步的，所述第一气体为SF6、CHF3、C4F8、02、Ar等气体中的两种或三种混合，温度为小于或等于室温。
[0020]进一步的，所述步骤S3中，所述沉积是在刻蚀设备中通入第二气体，使所述第二气体产生的等离子体在所述等截面刻蚀柱孔的内壁沉积形成钝化层。
[0021 ] 进一步的，所述第二气体为SF6XHF3和C4F8气体的一种或几种混合。
[0022]进一步的，所述步骤S4中，所述第二次干法刻蚀主要包括向所述沉积后的硅片通入第三气体，所述第三气体与沉积后的第二次刻蚀硅片产生化学反应，以对所述沉积后的硅片进行各向同性刻蚀。
[0023]进一步的，所述第三气体为SF6、CHF3、C4F8、02、Ar等气体中的两种或三种混合。
[0024]进一步的，所述步骤S5中，所述去胶是利用丙酮或丁酮去除所述第二次刻蚀硅片表面的光刻掩膜层，然后利用异丙醇或乙醇进行超声清洗;所述光刻掩膜层为光刻胶或电子束胶。
[0025](三)有益效果
[0026]本发明的上述技术方案具有以下有益效果:本发明的变截面硅孔和硅通道的刻蚀方法的工艺可控性强，可重复性好，通过光刻、各向异性垂直干法刻蚀、各向同性沉积、各向同性干法刻蚀、去胶步骤后，能得到变截面(如具有一定弯曲度)的硅孔结构及硅槽等微通道结构，这种结构在生物微流领域和仿生研究领域具有独特的应用前景;利用该变截面硅孔和硅通道的刻蚀方法可以根据所需的变截面刻蚀柱孔的具体参数要求选取刻蚀工艺参数，从而可以稳定精确的刻蚀出满足要求的不同形状的变截面硅孔结构及硅槽等微通道结构。
【附图说明】
[0027]图1为本发明实施例的变截面硅孔和硅通道的刻蚀方法的流程框架图；
[0028]图2为本发明实施例的步骤S2的工作原理图；
[0029]图3为本发明实施例的步骤S3的工作原理图；
[0030]图4为本发明实施例的步骤S4的工作原理图；
[0031]图5为本发明实施例的变截面硅孔和硅通道的刻蚀方法制成的硅孔的刻蚀剖面扫描电镜图。
[0032]其中，1、光刻掩膜层;2、第一次刻蚀硅片;3、等截面刻蚀柱孔;4、钝化层;5、第二次刻蚀硅片;6、变截面刻蚀柱孔。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0034]如图1所示，本实施例的变截面硅孔和硅通道的刻蚀方法包括以下各个步骤:
[0035]S1、光刻:在硅片上旋涂一层光刻掩膜层I，然后对所述硅片进行光刻，得到具有图案化的硅片。
[0036]本实施例中的光刻是采用紫外光刻或电子束曝光的方法使硅片的表面形成图案化二维结构，以便于后续对硅片进行定位准确的刻蚀工艺。
[0037]S2、第一次干法刻蚀:利用干法刻蚀方法对所述图案化的硅片进行各向异性垂直刻蚀，得到具有垂直向下的等截面刻蚀柱孔3的第一次刻蚀硅片2。等截面刻蚀柱孔2表示该刻蚀孔为柱体结构，且其任意截面的形状均相同、尺寸均相等。
[0038]本实施例中的第一次干法刻蚀是通过等离子体干法刻蚀的方法向图案化的硅片上通入第一气体，以对图案化的硅片进行各向异性的垂直向下的刻蚀。为了确保第一次干法刻蚀时，光刻后的硅片与第一气体进行反应，优选第一气体为SF6、CHF3、C4F8、02、Ar等气体中的两种或三种混合，优选温度为室温或低于室温。
[0039]如图2所示，步骤S2完成后，第一次刻蚀硅片2上旋涂一层有光刻掩膜层I，同时在第一次刻蚀硅片2上穿过光刻掩膜层I设有垂直向下的等截面刻蚀柱孔3。
[0040]S3、沉积:对所述第一次刻蚀硅片2进行各向同性沉积，得到具有钝化层4的沉积后的硅片。
[0041]本实施例中的沉积是在刻蚀设备中通入第二气体，使第二气体产生的等离子体在等截面刻蚀柱孔3的内壁沉积形成钝化层4。为了保证第一次刻蚀硅片2的等截面刻蚀柱孔3能快速沉积钝化层4，确保沉积后的钝化层4稳定，便于后续的横向刻蚀准确，优选第二气体为SF6、CHF3和C4F8气体的一种或几种混合。
[0042]如图3所示，本实施例中，经过沉积后的第一次刻蚀硅片2上的等截面刻蚀柱孔3上附着有一层钝化层4，其材质与第二气体材质相同。
[0043]S4、第二次干法刻蚀:利用干法刻蚀方法对所述沉积后的硅片进行各向同性刻蚀，得到第二次刻蚀硅片5;所述第二次刻蚀硅片5上设有变截面刻蚀柱孔6。变截面刻蚀柱孔6表示该刻蚀孔为柱体结构，但其截面形状是变化的，相邻的两个截面之间的形状不同、尺寸不相等，如该变截面刻蚀柱孔6的侧壁具有一定弯曲度。
[0044]第二次干法刻蚀主要包括向所述沉积后的硅片通入第三气体，第三气体与沉积后的硅片产生化学反应，以对沉积后的硅片进行各向同性刻蚀，以便于使第二次刻蚀硅片5上贴覆有钝化层4的等截面刻蚀柱孔3发生横向刻蚀，使等截面刻蚀柱孔3的侧壁被刻蚀为变截面刻蚀柱孔6。为了保证各向同性刻蚀反应的效率和效果，优选第三气体为SF6