[发明专利]硅基三维结构磁场辅助电化学腐蚀的方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料科学和电化学领域，特别是涉及一种硅基三维结构磁场辅助电化学腐蚀的方法。

背景技术

电化学腐蚀技术是近几年发展起来的新兴硅基三维结构加工技术。由于电化学腐蚀过程与空穴的分布有密切的关系，由空间电荷区(SCR)模式，电化学刻蚀强烈地依赖于空穴的产生及其在尖端周围的分布，而刻蚀区域侧壁分叉结构的形成是由于电流的横向分量，导致在垂直方向的横向刻蚀发生，所以电化学腐蚀很难得到大间距陡直的三维周期结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种硅基三维结构磁场辅助电化学腐蚀的方法，该方法能够实现间距为20-300μm的大间距周期性圆孔结构、凸角结构和台状结构等陡直的三维周期结构。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的硅基三维结构磁场辅助电化学腐蚀的方法，其步骤包括：

(1)光刻硅片：利用光刻机和图形掩模将硅片进行光刻。

(2)配置腐蚀液：将HF、DMF和水的混合，组成三者的体积比为(2.5～3.5)∶(14～18)∶1的腐蚀液作为负极腐蚀液，其中，HF为质量浓度40％的氢氟酸，DMF为质量浓度99.5％的二甲基甲酰胺；将质量浓度96％的分析纯NH₄F、质量浓度40％的HF和水混合，组成三者的体积比为3∶6∶10的氢氟酸缓冲腐蚀液作为正极腐蚀液；

(3)电化学腐蚀前的准备：

将双槽腐蚀设备置于通风橱内，再将配置好的腐蚀液分别加入两侧腐蚀槽中，连接好电极；

磁场配置：将磁场方向垂直100晶向，同时与电场方向垂直；该磁场方向定为x轴；

将光刻好的硅片装入所述腐蚀槽中。

(4)电化学腐蚀的实施：按照工艺要求，在腐蚀液、0.01～0.08A电流及磁场的协同作用下对光刻好的硅片进行电化学腐蚀。

(5)后处理：电化学腐蚀结束后将硅片取下用去离子水冲洗干净，然后进行烘干。其中：烘干温度为70～100℃，烘干时间为10～30分钟。

经过上述步骤，得到硅基三维结构的产品。

上述图形掩模的形状可以为圆形、方形、正方、棱形或等边梯形阵列。

本发明还可以由以下方法配置负极腐蚀液：将HF、DMF和水混合，组成三者的体积比为3∶16∶1的腐蚀液。

上述磁场可以为10～100mT强度的磁场，优选为72mT强度的磁场。

步骤(4)中所述工艺要求是指：采用0.01～0.08A的直流电流，优选值为0.04A的直流电流。腐蚀时间为120～300分钟，优选值为150分钟。腐蚀深度为60～100微米，优选值为65微米。腐蚀间距为20～300微米，优选值为300微米。

步骤(3)中所述电极可以采用石墨电极。

本发明采用以下方法将得到硅基三维结构的产品利用扫描电子显微镜作表面和断面形貌观察和分析，以检验该产品的质量，该方法是：将得到硅基三维结构的产品表面和断面分别平放和垂直放在扫描电子显微镜的样品台上，之后放入扫描电子显微镜的样品架上，抽真空进行观察。

本发明与传统的硅基三维结构电化学腐蚀的方法相比主要有以下的优点：

其一.工艺简单：避免了在硅片背面镀导电金属层，减小了工艺难度，有益于体硅加工工艺与IC工艺的兼容性。

其二.实用性强：很好地解决了间距为20～300μm的大间距周期性圆碗结构、凸角结构和台状结构的腐蚀问题，并且刻蚀深度可以达到30～100微米深。

其三.可操作性强：

由于磁场的存在，能够抑制横向电流从而能够阻止分叉结构，所以通过控制空穴的分布就可以很好的对电化学腐蚀过程进行控制。

基于霍尔效应的设计原理，磁场方向垂直(100)晶向(将该方向定为x轴)同时与电场方向垂直。光刻图形间距为20-300μm，图形掩模分别为方形、圆形和棱形等不同形状。将双槽电化学腐蚀装置置于垂直磁场中，磁场强度大小由电磁铁提供，用特斯拉计测电磁铁的磁感应强度，通过调节电磁铁线圈通电电流来控制磁场强度大小。

具体实施方式