[发明专利]用于制造光子装置的元件的系统和方法

说明书

本公开提供了通过使用连续金属网和在呈连续流的空气和蚀刻剂的存在下进行蚀刻而在半导体基底中制造作为光子装置的元件的高纵横比图案的方法。在一种方法中，涉及形成稳定的金属‑半导体合金的稳定催化剂允许即使在非常低的氧化剂浓度(例如存在于空气中的氧化剂物质)的条件下也在垂直方向上蚀刻基底而无需任何外部偏压或磁场，从而在半导体基底中实现非常高的纵横比结构。半导体基底上的金属层与空气中包含的氧化剂反应，并通过蚀刻剂催化半导体蚀刻。在一种方法中，通过使经水稀释的HF溶液蒸发来供应蚀刻剂。在金属层附近呈连续流的空气允许在金属层附近保持恒定的氧化剂浓度。这有利于反应物物质和蚀刻副产物的传质，因此该过程可以长时间持续以形成非常高的纵横比结构。一旦形成经蚀刻的半导体结构，连续的空气流支持反应物物质扩散通过经蚀刻的半导体结构，从而保持高纵横比结构的均匀蚀刻速率。连续的空气流支持反应副产物的扩散，从而避免抑制蚀刻反应。用这种方法可以获得具有约10000:1的纵横比的结构。该方法具有优异的纳米尺度上的图案转移能力。由于氧化剂可以通过普通空气提供，因此该系统具有特别的实施优势，因为它不需要对危险和易燃气体(例如O₂气体)或不稳定化学品(例如H₂O₂)进行任何处理。

本发明涉及在半导体基底中制造可用作光子装置的元件的高纵横比图案的方法。

通常，光子装置是用于产生、操纵或检测光的组件。这可以包括激光二极管、发光二极管、太阳能电池和光伏电池、显示器和光学放大器、衍射图案、周期性折射和衍射结构、光栅和透镜。

在这种情况下，金属辅助化学蚀刻(MacEtch)是这样的技术：能够制造多种形状的3D纳米和微米结构以及应用，例如纳米多孔层、纳米线、3D物体、MEMS、微流体通道、通孔、X射线光学器件、少数半导体(Si、Ge、多晶-Si(poly-Si)、GaAs、SiC)中的传感器装置，并使用不同的催化剂(Ag、Au、Pt、Pd、Cu、Ni、Rh)。在典型的MacEtch中，当将金属图案化的半导体基底浸入包含蚀刻剂(例如HF)和氧化剂(例如H₂O₂)的溶液(电解质)中时，发生局部电化学蚀刻。该金属用作H₂O₂还原的催化剂，随后空穴被深深注入到半导体的价带。在金属催化剂周围的区域中，空穴浓度变得更高，在那里半导体容易氧化并被HF除去，形成反应副产物例如氟化硅化合物。随着催化剂被拉入基底中，反应继续进行。

当电解质蒸发并凝结在金属图案化硅的表面上时，可以发生相同的反应。已经证明，MacEtch反应在室温下在加气HF存在下以类似于空气腐蚀金属的方式发生。氧扩散通过凝结的HF/水层限制了蚀刻速率和最大蚀刻深度，因此在3小时内蚀刻6μm的最大深度。根据其他来源，蚀刻剂可以从包含HF和H₂O₂的液体溶液中蒸发并吸附在加热的基底(35℃至60℃)上，在那里形成凝结的薄层并发生MacEtch反应。液相中的MacEtch展示了蚀刻具有非常高纵横比的纳米结构(例如纳米线)的能力，但作为湿法蚀刻技术，由于范德华力和在液体与空气之间的界面处的相邻表面之间的毛细管力，它在干燥期间经受弯曲和聚结。纳米结构聚结是非常不希望的，并且被认为是其中表面与器件效率直接相关的所有应用(例如太阳能电池或传感器件)的限制因素。

实际上，大的束(bundle)阻止共形涂覆，使纳米结构阵列的光学特性劣化，并可能引起更高的串联电阻。需要蚀刻后的干燥步骤以使纳米结构聚结最小化。例如，基于CO₂的临界点干燥显示出优异的结果，但它仍然需要额外的处理步骤以及使用高压和小心处理样品。