[发明专利]用于电化学法制备多孔硅的双槽装置及制备多孔硅的方法

说明书

技术领域

本发明属于一种半导体制备技术领域，具体涉及用于电化学法制备多孔硅的双槽装置及制备多孔硅的方法。

背景技术

SOI（Silicon on Insulator，绝缘衬底上的硅）技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。制造SOI结构器件其工艺与传统体硅工艺不同，它是在硅基板和实际有效硅层之间嵌埋一层SiO₂绝缘层，以此绝缘层作为基板来制造晶体管并利用氧化物介质隔离芯片上所有的元器件，该技术能在一颗芯片上实现兼容双极、CMOS和高压DMOS器件。因此SOI材料具有了体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势，因此可以说SOI将有可能成为深亚微米的低压、低功耗集成电路的主流技术。

随着SOI技术的迅速发展，基于SOI衬底的相关器件、交叉技术领域也得到了迅速发展。例如与SOI技术相结合的纳米多孔硅技术领域：由于纳米多孔硅是优异生物材料，如能在SOI材料上制备出纳米多孔硅光波导或光子晶体，则可制备出高灵敏度的光生物传感器，成为今后开发生物传感器阵列芯片的途径之一。同时微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System, MEMS)技术逐步成为跨学科高新技术研究领域，形成了包括各种微电子、微机械、微光学及各种数据处理单元的微系统，其中以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术发展迅速。而在微电子制造工艺基础上，硅微结构的MEMS加工工艺吸收融合其他加工工艺实现各种微机械结构，应用MEMS技术研制新型的SOI上传感器，性能更加优良、稳定性更好、可靠性更高。多孔硅以其优良性能成为MEMS中的新兴材料，已在MEMS功能结构层和牺牲层的制作中体现出其他材料无可比拟的优势，也可利用良好的气敏特性用于MEMS压力传感器、MEMS惯性传感器和MEMS振荡器等毫/微托量级的高真空封装。

目前多孔硅的制备方法主要有电化学腐蚀法、化学腐蚀法、火花腐蚀法、水热腐蚀法。其中的电化学腐蚀法也称为阳极腐蚀法，是目前制备多孔硅最常用的一种方法。电化学腐蚀法制备多孔硅的基本原理是：在HF酸溶液中，表面的硅悬键会被H钝化，形成Si-H键或Si-H₂键，在阳极氧化过程中，施加的正电位为Si基体提供了大量空穴，电解液中的F-在硅基体空穴的帮助下轰击Si-H键，Si-H键断裂F置换出一个H，同时释放一个电子。失去一个H后，硅上的另一个H不稳定，继而被F置换并释放出一个电子，被置换出的两个H构成一个H₂失去H之后的硅被HF溶解，产生SiF₄，再与HF反应生成H₂SiF₆。电化学腐蚀法按照电解槽的结构分为：单槽电化学腐蚀法、双槽电化学腐蚀法，具体如下：

单槽电化学腐蚀是采用硅片做阳极，铂片（Pt)或石墨为阴极，在HF酸跟有机溶剂或无机溶剂的混合电解液中阳极氧化形成多孔硅。在单槽电化学腐蚀法制备多孔硅中，为了使硅片跟金属夹形成良好的欧姆接触，传统的做法是预先在硅片的未抛光面蒸镀一层金属层（Al)或者在硅片跟金属夹接触的部分化学镀Ni，这增加了实验的成本和难度，也会对硅片造成污染跟损伤，容易造成硅片的改性，重复性低。同时，金属薄膜厚度均匀性不易控制，容易导致多孔硅孔径尺寸、孔隙率及多孔硅层厚度不均匀。

双槽电化学腐蚀法的阳极和阴极都是铂片（Pt）或石墨电极，硅片被固定在电解槽的中间，把电解槽分隔成两个溶液互不相通的独立半槽，硅片抛光面对着阴极，未抛光面对着阳极，接通电源，电流从一个半槽经过硅片流向另一个半槽，对着阴极的抛光面阳极溶解形成多孔硅。在双槽电化学腐蚀制备多孔硅中，因为硅片不需要形成欧姆接触而无需在硅片的未抛光面蒸镀Al电极，所以降低了实验成本和操作难度。同时双槽电化学腐蚀法相对于单槽电化学腐蚀法制备出的多孔硅表面形貌更均匀，孔隙更密集，具有更好的性能，因此成为当前制备多孔硅最主流的方法。