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摘要
? ? ? 硅在氫氟酸溶液中的電化學(xué)蝕刻被用作微加工技術(shù)。已經(jīng)證明，對(duì)電化學(xué)蝕刻的硅結(jié)構(gòu)的形狀的普遍接受的幾何約束可以顯著放松。報(bào)道了在同一n摻雜硅片上刻蝕出的幾種新結(jié)構(gòu)。制造的結(jié)構(gòu)包括壁陣列、孔陣列、曲折形結(jié)構(gòu)、螺旋形壁、微管、微柱、微尖等。詳細(xì)描述了電化學(xué)蝕刻過(guò)程的簡(jiǎn)單模型，該模型描述了初始晶種的尺寸、電流密度以及初始圖案的氫氧化鉀蝕刻時(shí)間對(duì)最終幾何形狀的影響。
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介紹 ??
? ? ? 在氫氟酸(HF)電解液中電化學(xué)蝕刻硅是形成多孔硅的眾所周知的技術(shù)。根據(jù)陽(yáng)極氧化硅襯底的摻雜，可以獲得不同的孔形態(tài)，從由p型襯底制成的納米孔到由照射的n型襯底獲得的微米孔。在最后一種情況下，通過(guò)用足夠能量的光子照射晶片的后表面，可以在體中光生空穴。在陽(yáng)極偏壓下，這些空穴向前硅-電解質(zhì)界面移動(dòng)，硅發(fā)生溶解。最初，電場(chǎng)集中在平坦晶片表面上的尖銳缺陷處。因此，表面缺陷是大孔形成的種子點(diǎn)。通過(guò)用缺陷位置預(yù)構(gòu)圖晶片表面，可以確定大孔將在哪里形成。標(biāo)準(zhǔn)光刻步驟后的氫氧化鉀蝕刻可用于在所需位置產(chǎn)生金字塔形凹口，這些凹口可作為缺陷陣列。具有高縱橫比(高達(dá)250)的隨機(jī)和預(yù)圖案化大孔陣列都在整個(gè)晶片厚度和整個(gè)晶片上生長(zhǎng)。提出的應(yīng)用范圍從紅外濾波器到光子晶體和微機(jī)械系統(tǒng)。
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制作工藝
? ? ? 樣品的正面暴露在聚鉑陰極的聚四氟乙烯電化學(xué)電池中的電解質(zhì)中，離樣品表面約5毫米。攪拌電解液（HF48%：乙醇99.9%：水，體積為1：2：17）以減少氫氣泡的形成。樣品暴露于電解質(zhì)中的面積約為0.6cm2，呈圓形。電子孔對(duì)是通過(guò)用距離樣品20厘米的300W鹵素?zé)粽樟翗悠返谋趁?，通過(guò)用于提供樣品背面電接觸的金屬板中的圓形窗口產(chǎn)生的?？梢愿淖儫舻碾娫?，以調(diào)節(jié)蝕刻光電流。采用HP4145B參數(shù)分析儀應(yīng)用陽(yáng)極化電壓，并監(jiān)測(cè)蝕刻電流。所有實(shí)驗(yàn)都是在室溫下進(jìn)行的，使用工作電流密度J<30mA/cm2和恒定的陽(yáng)極化電壓2.5V，如關(guān)于測(cè)量的電致拋光條件(Jps=30mA/cm2，Vps=2V)。
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結(jié)果和討論
?????在這篇論文中，我們證明了制造孔、壁、螺旋、曲折形結(jié)構(gòu)、微管等是可能的。在相同的硅管芯上，具有不同的間距和尺寸，簡(jiǎn)單地通過(guò)使用合適的初始晶種進(jìn)行HF電化學(xué)蝕刻。特別是，我們發(fā)現(xiàn)如果預(yù)圖案化的缺陷是方孔，則得到標(biāo)準(zhǔn)的大孔陣列，但是如果KOH缺陷由直線構(gòu)成，則得到壁陣列。 此外，通過(guò)適當(dāng)?shù)夭贾脦讉€(gè)壁，有可能制造更復(fù)雜的幾何形狀作為曲折形狀的結(jié)構(gòu)、螺旋形壁和微管。圖4示出了具有不同尺寸和間距的曲折形結(jié)構(gòu)的俯視圖。我們想指出，隨機(jī)大孔存在于圖。其中硅襯底沒(méi)有被適時(shí)地圖案化。
? ? ? 事實(shí)上，一旦襯底的摻雜固定，無(wú)孔硅材料上就存在最大尺寸[3，9]:對(duì)于較小的尺寸，只有很少的孔可以穿透到圖案化的硅中，引起硅溶解，使得晶體硅自動(dòng)保護(hù)自己免受電化學(xué)蝕刻；對(duì)于更大的尺寸，更多的孔可以穿透并穿過(guò)圖案化的硅到達(dá)硅-電解質(zhì)界面，從而產(chǎn)生孔的形成。圖5分別示出了螺旋陣列的俯視圖(上圖)和這種螺旋的橫截面(下圖)。圖6顯示了微管陣列的俯視圖(上圖)和橫截面(下圖)。從圖1可以明顯看出。
本文提到的是，蝕刻結(jié)構(gòu)的橫向和縱向尺寸由獨(dú)立的參數(shù)控制:一旦初始缺陷被固定，橫向蝕刻強(qiáng)烈依賴于蝕刻密度電流，該電流建立了所得結(jié)構(gòu)的整體尺寸；垂直尺寸僅取決于蝕刻時(shí)間。所提出的方法的缺點(diǎn)可歸因于氟化氫的存在，它是一種腐蝕劑，尤其是對(duì)金屬而言；和對(duì)晶體壁的最大橫向尺寸的約束，其主要取決于襯底電阻率。就HF的使用而言，如文獻(xiàn)中所報(bào)道的，可以使用Si3N4層來(lái)保護(hù)適當(dāng)?shù)膮^(qū)域；同時(shí)可以適當(dāng)?shù)剡x擇硅襯底的摻雜，以獲得期望的橫向尺寸。
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圖1 利用高頻電化學(xué)蝕刻法制備硅微結(jié)構(gòu)（a-e）的工藝示意圖
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圖4 曲形結(jié)構(gòu)陣列的俯視圖。在顏色較暗的區(qū)域，硅已經(jīng)被蝕刻掉了
結(jié)論
? ? ? ?這篇論文中，我們證明了通常提出的對(duì)電化學(xué)蝕刻硅結(jié)構(gòu)形狀的幾何約束可以顯著放松。事實(shí)上，我們?cè)谕粋€(gè)n摻雜硅片上制作了幾種新的結(jié)構(gòu)，包括壁陣列、孔陣列、曲折形結(jié)構(gòu)、螺旋狀壁、微管、微柱、微尖等。討論了一個(gè)簡(jiǎn)單的蝕刻模型，包括初始圖形的尺寸、電流密度和初始圖形的氫氧化鉀蝕刻時(shí)間對(duì)最終幾何形狀的影響。所制造的結(jié)構(gòu)使我們能夠?qū)⒏哳l電化學(xué)蝕刻視為硅微加工的有用工具，替代常用技術(shù)。
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