[发明专利]一种磁场辅助的硅微纳加工工艺及装备

说明书

技术领域

本发明涉及微纳制造领域，更具体地，涉及一种磁场辅助的硅微纳结构金属催化刻蚀工艺及装备。

背景技术

半导体微纳结构因其在电子和光子领域具有极好的应用前景而引起研究者极大的兴趣。硅作为半导体工业的核心材料，其微纳结构更是受到前所未有的关注，并且硅微纳结构能够与目前商业化的电子器件相兼容，具有良好的市场前景。硅纳米结构目前已经被成功用于生物或化学传感器、场效应管、锂电池、太阳能电池以及其他光伏器件，并且所得器件具有非常优异的特性。

硅微米结构刻蚀，尤其是硅深刻蚀结构，目前一般利用ICP设备，采用Bosch工艺。该工艺采用刻蚀气体和钝化气体重复交替刻蚀以提高硅刻蚀的选择性和深宽比，但这种工艺难以避免的会在刻蚀侧壁产生波纹。其侧壁粗糙度及垂直度难以提高。另外利用上述工艺刻蚀硅通孔结构需要上百次的循环，光刻胶很可能会被破坏，难以保护硅片表面，影响表面质量。此外ICP刻蚀价格高昂，对该项技术的普及应用造成影响。

研究者尝试用各种方法制备硅纳米结构，例如热蒸发、水热法、CVD-VLS工艺等等。然而所得纳米结构都有很大的缺陷，比如，纳米线的方向很混乱，粗细长短在很大程度上难以控制。也就是说利用这些方法制备得到可控的制备硅纳米结构仍然是一个挑战。

近年来，金属催化刻蚀工艺快速发展，利用单一贵金属颗粒或薄膜可以实现纳米尺度图形的深刻蚀，但实现微米尺度刻蚀仍然非常困难，而且对于微纳尺度三维结构的刻蚀难以实现。因此，开发出高效、低成本的制造工艺及设备，对于工业生产及经济发展都具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁场辅助的硅微纳加工工艺，解决现有技术可控性差的问题。

本发明的另一目的在于提供一种磁场辅助的硅微纳加工装备，解决现有技术可控性差的问题，并且结构简单，容易操作。

一种磁场辅助的硅微纳加工工艺，包括以下步骤：

1）在单晶硅片上旋涂光刻胶，并在光刻胶上光刻微纳尺度图案；

2）在光刻胶表面依次镀上金属膜A、B和A，金属膜A为金或银，金属膜B为铁；

3）将单晶硅片置于磁场强度和方向可调的磁场环境中，采用HF和H₂O₂的混合溶液作为刻蚀剂对单晶硅片进行金属催化刻蚀；

4）去除光刻胶和残留的金属膜，并清洗干净。

进一步地，所述磁场其强度为500～2000Oe。

进一步地，所述刻蚀剂中的HF的质量百分数为5%~15%，H₂O₂的质量百分数为0.8%~3%。

进一步地，采用光学光刻或电子束光刻在光刻胶上光刻微纳尺度图案。

进一步地，所述镀膜工艺为磁控溅射、电子束蒸发或电镀工艺中的一种。

进一步地，所述步骤2）所形成的三层金属膜的厚度各为8~12nm。

一种磁场辅助的硅微纳加工工艺装备，包括储液装置、溶液流量控制装置、反应密封腔、电磁场控制系统以及计算机控制系统；

储液装置包括一个腔体，腔体内设有三个分别存储HF、H₂O₂、去离子水的容器以及加压设备，各容器管道连接溶液流量控制装置；加压设备提供压力，促使容器内的溶液经过管道流入溶液流量控制装置；

溶液流量控制装置用于控制三容器中溶液流入反应密封腔的流量，其包括三个分别与储液装置中三容器一一连通的通道以及溶液混合器，各通道上分别设有电磁阀和流量计，三通道汇聚于溶液混合器，溶液混合器通过管道连通反应密封腔；

反应密封腔用于刻蚀反应；

电磁场控制系统用于向反应密封腔提供磁场环境；

计算机控制系统电连接电磁场控制系统、各电磁阀以及各流量计，用于依据预定的流量配比和各流量计反馈的流量控制电磁阀的开关时间，并控制电磁场控制系统产生相应强度和方向的磁场。

本发明的技术效果体现在：