[发明专利]硅基三维结构的双面对准光刻加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的双面对准光刻加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，电化学深腐蚀硅微结构以空穴耗尽为基础。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。因为对于间距较大的图形，由于图形与图形之间存在较大的间隔，在这些区域里，由于这些间隔的尺寸往往要比图形内部孔与孔之间的距离大，图形区正面接触腐蚀液，空穴在硅片背面向正面扩散，电子空穴速度大小和方向不断地改变着，在扩散过程中并不是全部从图形窗口垂直穿出，而是不停地散射到各个方向上，所以空间耗尽层往往不能够覆盖这些区域，即这些区域的载流子不能被耗尽，在这种情况下由背面进入的空穴能够扩散到图形之间的区域，未耗尽空穴到达SiO₂绝缘掩蔽层处不能穿出而在绝缘掩膜处积累使电场分布不均，电场分布的突变会导致空穴从结构的侧壁边界注入，分布在刻蚀液与图形交界的周围，图形间未耗尽空穴最终泄漏到图形开口处与腐蚀液发生电化学反应，产生边缘效应，使侧壁被腐蚀，造成侧壁不陡直。所以电化学腐蚀很难得到20-300μm的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的双面对准光刻加磁场辅助电化学腐蚀的方法，使电流被限制在双面对准光刻并经预腐蚀坑后形成的图形开口区域，抑制和消除边缘效应的产生，从而增加三维周期结构的陡直性。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的双面对准光刻加磁场辅助电化学腐蚀的方法，其包括以下步骤：

(1)双面对准光刻硅片：利用光刻机和图形掩模将硅片进行双面对准光刻，将掩模图形转移到硅片的双面上；

(2)预腐蚀坑：将双面对准光刻的硅片放入摩尔浓度为5～8的KOH溶液中，80-100℃下预腐蚀5-10分钟；按照工艺要求，在硅片的双面腐蚀出3-6微米深度的预腐蚀坑；

(3)配置腐蚀液：将HF、DMF和水混合，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为体积浓度40％的氢氟酸，DMF为体积浓度99.5％的二甲基甲酰胺；将体积浓度96％的分析纯NH₄F、体积浓度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；

(4)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，连接好两对电极；

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。

将光刻好并经预腐蚀坑的的硅片装入所述腐蚀槽中；

(5)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并经预腐蚀坑的的硅片进行电化学腐蚀；

(6)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；

经过上述步骤，得到硅基三维结构的产品。

上述步骤中：

所述的掩模图形的形状可以为圆形、方形、正方形、棱形或等边梯形阵列。

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

所述磁场可以为10～100mT强度的磁场，其优选值为72mT。

所述工艺要求是指：采用0.01～0.08A的直流电流，其优选值为0.04A。腐蚀时间为100～300分钟，其优选值为120分钟。腐蚀深度为30～100微米，其优选值为68微米。腐蚀间距为20～300微米，其优选值为300微米。

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.硅片经过双面对准光刻和预腐蚀一定深度的预腐蚀坑后，使电化学腐蚀时的电流被限制在双面对准图形开口区域，抑制和消除边缘效应的产生，从而增加三维周期结构的陡直性。

其四.可操作性强：