專利名稱：光助電化學(xué)刻蝕裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于N型或P型硅片的光助電化學(xué)刻蝕裝置，能對(duì)大面 積硅片進(jìn)行長時(shí)間的均勻濕法深刻蝕，屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
基于硅材料的高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)的制作，在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、光子晶 體、微傳感器、X射線成像器件、生物工程芯片和太陽能電池和側(cè)向外延襯 底等技術(shù)領(lǐng)域有著重要的地位。目前國內(nèi)硅基HARMS的加工方法主要有三 種。第一種方法是激光微加工，適合于加工分立的單個(gè)通孔。其不足之處在 于串行操作、效率低、對(duì)位精度差，不適合于大規(guī)模陣列的制作。第二種方 法是深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)，可用于陣列化生產(chǎn)。但與國外使用較多的LIGA 技術(shù)相似，其制作設(shè)備和制作工藝的成本都很高，難于推廣。第三種方法就 是光助電化學(xué)刻蝕法(PAECE)，所需的反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于批量 生產(chǎn)，而且更容易獲得超高深寬比的微細(xì)結(jié)構(gòu)。
硅的光助電化學(xué)刻蝕本質(zhì)上是硅經(jīng)陽極溶解形成多孔硅層的過程，多孔硅 層內(nèi)的微結(jié)構(gòu)深寬比可以達(dá)到100以上。用光助電化學(xué)刻蝕法對(duì)表面有預(yù)制 圖案的硅片進(jìn)行深刻蝕，可以制作出有序的三維微結(jié)構(gòu)。近年來，PAECE技 術(shù)得到了深入的研究，針對(duì)不同的應(yīng)用場合也出現(xiàn)了多種實(shí)驗(yàn)裝置。但是從 目前的情況來看，這些裝置大都只適用于面積在2cn^左右的小尺寸樣品的刻蝕，對(duì)大面積硅片實(shí)施深刻蝕時(shí)主要有以下兩個(gè)問題
1、 大面積硅片在長時(shí)間光助電化學(xué)刻蝕中，照射硅片背面的高功率光源 所產(chǎn)生的熱量，會(huì)引起反應(yīng)溶液溫度明顯升高；
2、 大面積硅片在光助電化學(xué)刻蝕所產(chǎn)生大量的氣泡堆積在硅片與網(wǎng)孔陰 極之間的相對(duì)封閉的區(qū)域內(nèi)，或者附著在硅片的上表面，阻礙了新鮮反應(yīng)溶 液參與到反應(yīng)中來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有裝置在刻蝕過程中存在著反應(yīng)溶液升溫和硅片表面堆積 氣泡這兩大問題，提供了一種保持反應(yīng)溶液溫度基本恒定、避免硅片上方氣 泡堆積的光助電化學(xué)刻蝕裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種光助電化學(xué)刻蝕裝置，
包括盛裝反應(yīng)溶液(16)的反應(yīng)槽(9)、用于反應(yīng)溶液循環(huán)的耐酸泵(12)、與直流 電源(15灘連的網(wǎng)孔陰極(6)和環(huán)形陽極(5)、反應(yīng)槽(9)下方與放置在網(wǎng)孔陰極 (6)和環(huán)形陽極(5)之間刻蝕的硅片(4)相對(duì)應(yīng)的鹵素?zé)絷嚵?1)、設(shè)置在鹵素?zé)絷?列(1)與硅片(4)之間紅外截止濾光片(3)，在反應(yīng)槽(9)外套裝有盛裝透光的冷卻 液(17)的降溫槽(10)，降溫槽(10)側(cè)壁上設(shè)有冷卻液輸入管(20)和冷卻液輸出管 (18)，降溫槽(10)的底面與環(huán)形陽極(5)對(duì)應(yīng)的位置設(shè)有可透過鹵素?zé)艄獾耐腹?窗(2)，耐酸泵輸出管(13)的輸出端連接有用于硅片(4)上方反應(yīng)溶液(16)循環(huán)的 花灑式?jīng)_刷機(jī)構(gòu)。
冷卻液輸入管(20)的出口位于環(huán)形陽極(5)下方，冷卻液輸出管(18)的高度 稍高于反應(yīng)槽(9)中反應(yīng)溶液(16)液面的高度，冷卻液輸出管(18)的直徑大于冷 卻液輸入管(20)的直徑。冷卻液輸出管(18)的直徑為冷卻液輸入管(20)的直徑的2 5倍，所述透光 窗(2)為石英玻璃窗。
紅外截止濾光片(3)設(shè)置在環(huán)形陽極(5)與透光窗(2)之間的冷卻液(17)中。 冷卻液(17)為具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的透光的鹽溶液。
冷卻液輸入管(20)的入口連接有用于調(diào)節(jié)冷卻液(17)溫度的溫控裝置
(19)。
所述花灑式?jīng)_刷機(jī)構(gòu)由網(wǎng)孔陰極(6)和中空的密閉腔(7)組成，密閉腔(7)底 端密封連接網(wǎng)孔陰極(6)外邊緣，密閉腔(7)上部與耐酸泵輸出管(13)連通。
網(wǎng)孔陰極(6)上均勻排布有通孔(22)，通孔(22)直徑為0.1 ~ lmm，相鄰孔 足巨為0.3 ~ 5mm。
本發(fā)明采用在反應(yīng)槽外套裝降溫槽的方式，將產(chǎn)生熱量的鹵素?zé)絷嚵信c 反應(yīng)槽隔離開，由降溫槽內(nèi)的冷卻液將鹵素?zé)舢a(chǎn)生的熱量帶走，隔斷了熱源， 使其不會(huì)傳遞到反應(yīng)溶液中。本發(fā)明在硅片上方的反應(yīng)溶液中設(shè)有花灑式?jīng)_ 刷機(jī)構(gòu)，由耐酸泵注入的反應(yīng)溶液通過花灑式?jīng)_刷機(jī)構(gòu)能夠均勻地沖刷網(wǎng)孔 陰極下的硅片，有效地進(jìn)行反應(yīng)溶液循環(huán)，消除了硅片上方氣泡堆積的現(xiàn)象。
冷卻液輸入管的出口設(shè)置在網(wǎng)孔陰極與透光窗之間，使冷卻液直接流入 硅片與降溫槽底部的透光窗之間溫度最高的區(qū)域，可及時(shí)地帶走因鹵素?zé)魪?qiáng) 光照射產(chǎn)生的熱量，保持反應(yīng)槽內(nèi)反應(yīng)溶液溫度基本不變。
保持冷卻液輸出管的高度稍高于反應(yīng)溶液高度，從而使冷卻液的液面高 度與反應(yīng)溶液的高度相差不多，因此硅片所受到反應(yīng)溶液的壓力與冷卻液對(duì)
硅片的壓力基本平衡，避免了硅片受壓不均造成硅片破裂的問題，也能更好 地起到降溫的作用。
將紅外截止濾光片設(shè)置在冷卻液中，保護(hù)紅外截止濾光片不會(huì)因光源烘烤而遭到破壞。
由于流體對(duì)透過的光線有選擇性吸收的作用，因此通過選擇不同的冷卻 液，并調(diào)節(jié)冷卻液的厚度，可以起到紅外濾波的作用。將冷卻液與紅外濾光 片配合使用，可以達(dá)到最佳的紅外濾波效果。
另外使用導(dǎo)電性能良好的鹽溶液作冷卻液還能加強(qiáng)硅片與環(huán)形陽極之間 的電接觸，提高刻蝕質(zhì)量。
冷卻液輸出管直徑大于冷卻液輸入管的直徑，特別是在冷卻液輸出管的 直徑為冷卻液輸入管的直徑的2 5倍，可保證經(jīng)冷卻液輸入管進(jìn)入降溫槽的 冷卻液及時(shí)通過冷卻液輸出管溢流，不會(huì)出現(xiàn)冷卻液液面不能及時(shí)回流，而 漫出反應(yīng)槽的問題。
冷卻液輸入管的入口連接有用于調(diào)節(jié)冷卻液溫度的溫控裝置，溫控裝置 可以調(diào)節(jié)冷卻液的溫度，從而間接控制反應(yīng)溶液的溫度。
由于網(wǎng)孔陰極的極板尺寸需要與硅片的尺寸相近，因此本發(fā)明中將網(wǎng)孔 陰極與一個(gè)中空的密閉腔密封扣裝在一起，再連接到耐酸泵輸出管上。密閉 腔象一個(gè)罩體一樣，扣合密封在網(wǎng)孔陰極上，在與網(wǎng)孔陰極組成了一個(gè)花灑 式?jīng)_刷機(jī)構(gòu)，反應(yīng)溶液從網(wǎng)孔陰極的網(wǎng)孔內(nèi)均勻沖出，因而能夠以面源的形 式均勻地沖刷硅片表面，有效地帶走反應(yīng)過程中整個(gè)硅片表面各個(gè)部位的氣 泡。網(wǎng)孔陰極在發(fā)揮電極功能的同時(shí)，還起到了均勻循環(huán)溶液的作用。該花 灑式?jīng)_刷機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、沖刷效果好。
網(wǎng)孔陰極表面均勻排布的通孔直徑為0.1 lmm，相鄰孔距為0.3 ~ 5mm，這樣的尺寸可以保證耐酸泵泵出的液體通過網(wǎng)孔陰極上的通孔均勻噴 出，就能很好地解決整個(gè)硅片表面各處的溶液均勻循環(huán)的問題，特別適合于 對(duì)大面積硅片的深刻蝕。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中
圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明實(shí)施例1網(wǎng)孔陰極結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明應(yīng)用實(shí)施例1制備的深孔陣列SEM圖4是本發(fā)明應(yīng)用實(shí)施例2制備的溝槽陣列SEM圖。
所用掃描電子顯微鏡(SEM)為日本JEOL公司生產(chǎn)，型號(hào)為JSM-59101v。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，一種光助電化學(xué)刻蝕裝置，包括盛裝有反應(yīng)溶液的反應(yīng)槽9、 反應(yīng)槽9底部設(shè)有與直流電源相連的網(wǎng)孔陰極6和環(huán)形陽極5，其中環(huán)形陽極 5通過螺釘固定在反應(yīng)槽9底部，網(wǎng)孔陰極6位于環(huán)形陽極5之上，反應(yīng)溶液 16為含有氫氟酸的水溶液或有機(jī)溶液，硅片4放置于網(wǎng)孔陰極6與環(huán)形陽極 5之間并固定在反應(yīng)槽9底部，在反應(yīng)槽9外套裝有降溫槽10，降溫槽10與 反應(yīng)槽9之間設(shè)有支撐架(圖中未顯示)，支撐架保持二者之間留有相應(yīng)的空 間，降溫槽10內(nèi)盛裝有透光的冷卻液17，降溫槽17側(cè)壁上設(shè)有冷卻液輸入 管20和冷卻液輸出管18，冷卻液輸入管20的出口位于環(huán)形陽極6下方，冷 卻液輸出管18的高度稍高于反應(yīng)槽9中反應(yīng)溶液16液面高度，冷卻液輸出 管18的直徑大于冷卻液輸入管20的直徑，優(yōu)選冷卻液輸出管18的直徑為冷 卻液輸入管20的直徑的2 5倍，有利于冷卻液17及時(shí)從冷卻液輸出管18 溢流，保證冷卻液17的液面與反應(yīng)溶液16的液面相差不多。冷卻液17為透 光液體，例如自來水、蒸餾水、去離子水等，優(yōu)選具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的透光的鹽溶液，例如硫酸鉀、氯化鈉溶液，透光的鹽溶液可以加強(qiáng)硅片與環(huán)形陽 極之間的電接觸。冷卻液輸入管的入口連接有用于調(diào)節(jié)冷卻液溫度的溫控裝
置19，溫控裝置19用于調(diào)節(jié)冷卻液17的溫度，間接用于控制反應(yīng)槽9內(nèi)反 應(yīng)溶液16的溫度，溫控裝置19為現(xiàn)有技術(shù)，例如恒溫槽，在此不再贅述。 降溫槽10底面開有與環(huán)形陽極6對(duì)應(yīng)的透光窗2，透光窗2與降溫槽10之間 密封固定，所述透光窗2為石英玻璃窗，也可以是其他透光材料制成，透光 窗2外設(shè)置有與其對(duì)應(yīng)的鹵素?zé)絷嚵?，鹵素?zé)絷嚵? 一般由1~20盞鹵素?zé)?并排排列組成，根據(jù)實(shí)際需要可以作調(diào)整，本實(shí)施例采用了 12盞鹵素?zé)?。紅 外截止濾光片3設(shè)置在環(huán)形陽極5與降溫槽10的透光窗1之間的冷卻液17 中，冷卻液輸入管的出口位于環(huán)形陽極5與紅外截止濾光片3之間。
耐酸泵輸出管13的輸出端連接有對(duì)網(wǎng)孔陰極6下方硅片4進(jìn)行沖刷的花 灑式?jīng)_刷機(jī)構(gòu)?；⑹?jīng)_刷機(jī)構(gòu)由與網(wǎng)孔陰極5和密閉腔7組成。密閉腔7 上部與耐酸泵輸出管13連通，底端扣裝在網(wǎng)孔陰極5外邊緣。在密閉腔7底 端面與網(wǎng)孔陰極6之間設(shè)有密封墊(圖中未示出)，用于密閉腔7與網(wǎng)孔陰極 6密封。網(wǎng)孔陰極5除與密閉腔7扣合的外邊緣外，如圖2所示，其表面都均 勻排布有通孔22，通孔22直徑為0.1 ~ lmm，相鄰孔距為0.3 ~ 5mm，密閉 腔7為聚四氟乙烯(PTFE)材料制成。密閉腔7上設(shè)有用于支撐的支撐架(圖 中未示出)，支撐架能夠方便地調(diào)節(jié)網(wǎng)孔陰極6與硅片4之間的距離，從而改 變硅片4上下表面之間的電位差。
采用本發(fā)明刻蝕裝置制作基于硅材料的高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)，具體實(shí)施方 案包括以下三個(gè)步驟
1、標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝形成原始圖案利用光刻工藝在硅片的正面形成預(yù)制的表面圖案，并在背面形成鋁柵格用作導(dǎo)電層。
2、 堿性溶液各向異性腐蝕形成初始尖端在KOH或TMAH溶液中對(duì)硅
片正面進(jìn)行腐蝕以形成初始尖端，此時(shí)應(yīng)對(duì)硅片背面進(jìn)行保護(hù)。
3、 光助電化學(xué)刻蝕制作高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)整溶液濃度、溫度、偏置
電壓大小和光照強(qiáng)度等參數(shù)，在氫氟酸(HF)及相關(guān)的配套溶液中，對(duì)樣品進(jìn)
行深刻蝕。
樣品參數(shù)如下硅片為4英寸，N型，<100〉晶向，厚度380um;所用 反應(yīng)溶液總量為4000ml，按質(zhì)量百分比計(jì)，氫氟酸為4%，作為活性劑的乙醇 為8%，其余為去離子水，12盞300W的鹵素?zé)艚M成的鹵素?zé)絷嚵凶鳛楣庠础?br> 應(yīng)用實(shí)施例1大面積方孔陣列的制作
由于要求方孔的深度較大，通常在200um以上，因此本實(shí)施例中除保證 整個(gè)4英寸面上均勻一致刻蝕以外，要特別注意控制長時(shí)間刻蝕中溶液的溫 升。
使用本發(fā)明的裝置，用室溫的自來水作為冷卻液，在180分鐘的實(shí)驗(yàn)時(shí)間 里，監(jiān)測到反應(yīng)溶液溫度為25.3 26.5，波動(dòng)范圍僅為1.2°C，滿足高精度實(shí) 驗(yàn)的要求。如圖3所示為刻蝕得到的方孔陣列的SEM圖片。測試結(jié)果顯示所 制作的微細(xì)結(jié)構(gòu)均勻性很好。
應(yīng)用實(shí)施例2大面積溝槽陣列的制作
溝槽陣列的制作中，需要相對(duì)大的電流密度，通常在30mA/cn^左右，反 應(yīng)很劇烈，會(huì)有大量的氣泡產(chǎn)生，這就需要硅片上表面溶液有很強(qiáng)的循環(huán)更 新能力。由于溝槽陣列結(jié)構(gòu)有嚴(yán)格的占空比要求，這就需要刻蝕過程中能有效地濾除紅外波以抑制側(cè)向腐蝕。
本實(shí)施例電流密度為32mA/cm2， 30分鐘刻蝕。所用的冷卻液為室溫的 自來水，硅片與石英玻璃窗之間的距離為3cm。實(shí)驗(yàn)過程中，反應(yīng)溶液溫度 能夠控制在25.4 25.8'C之間。整個(gè)刻蝕過程中未發(fā)現(xiàn)氣泡堆積的現(xiàn)象。圖4 為所制作微結(jié)構(gòu)的SEM照片。
權(quán)利要求
1、一種光助電化學(xué)刻蝕裝置，包括盛裝反應(yīng)溶液(16)的反應(yīng)槽(9)、用于反應(yīng)溶液循環(huán)的耐酸泵(12)、與直流電源(15)相連的網(wǎng)孔陰極(6)和環(huán)形陽極(5)、反應(yīng)槽(9)下方與放置在網(wǎng)孔陰極(6)和環(huán)形陽極(5)之間刻蝕的硅片(4)相對(duì)應(yīng)的鹵素?zé)絷嚵?1)、設(shè)置在鹵素?zé)絷嚵?1)與硅片(4)之間紅外截止濾光片(3)，其特征在于在反應(yīng)槽(9)外套裝有盛裝透光的冷卻液(17)的降溫槽(10)，降溫槽(10)側(cè)壁上設(shè)有冷卻液輸入管(20)和冷卻液輸出管(18)，降溫槽(10)的底面與環(huán)形陽極(5)對(duì)應(yīng)的位置設(shè)有可透過鹵素?zé)艄獾耐腹獯?2)，耐酸泵輸出管(13)的輸出端連接有用于硅片(4)上方反應(yīng)溶液(16)循環(huán)的花灑式?jīng)_刷機(jī)構(gòu)。
2、 如權(quán)利要求l所述的光助電化學(xué)刻蝕裝置，其特征在于冷卻液輸入管(20)的出口位于環(huán)形陽極(5)下方，冷卻液輸出管(18)的高度稍高于反應(yīng)槽(9)中反應(yīng)溶液(16)液面的高度，冷卻液輸出管(18)的直徑大于冷卻液輸入管(20)的直徑。
3、 如權(quán)利要求2所述的光助電化學(xué)刻蝕裝置，其特征在于冷卻液輸出管(18)的直徑為冷卻液輸入管(20)的直徑的2 5倍，所述透光窗(2)為石英玻璃窗。
4、 如權(quán)利要求l所述的光助電化學(xué)刻蝕裝置，其特征在于紅外截止濾光片(3)設(shè)置在環(huán)形陽極(5)與透光窗(2)之間的冷卻液(17)中。
5、 如權(quán)利要求1所述的光助電化學(xué)刻蝕裝置，其特征在于冷卻液(17)為具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的透光的鹽溶液。
6、 如權(quán)利要求l所述的光助電化學(xué)刻蝕裝置，其特征在于冷卻液輸入管(20)的入口連接有用于調(diào)節(jié)冷卻液(17)溫度的溫控裝置(19)。
7、如權(quán)利要求1 6任意一項(xiàng)所述的光助電化學(xué)刻蝕裝置，其特征在于-所述花灑式?jīng)_刷機(jī)構(gòu)由網(wǎng)孔陰極(6)和中空的密閉腔(7)組成，密閉腔(7)底端密 封連接網(wǎng)孔陰極(6)外邊緣，密閉腔(7)上部與耐酸泵輸出管(13)連通。
8、如權(quán)利要求7所述的花灑式?jīng)_刷機(jī)構(gòu)，其特征在于網(wǎng)孔陰極(6)上 均勻排布有通孔(22)，通孔(22)直徑為0.1 lmm，相鄰孔距為0.3 5mrn。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光助電化學(xué)刻蝕裝置，包括裝有反應(yīng)溶液的反應(yīng)槽、耐酸泵、與直流電源相連的網(wǎng)孔陰極和環(huán)形陽極、紅外截止濾光片，以及與硅片位置相對(duì)應(yīng)的鹵素?zé)絷嚵校撗b置在反應(yīng)槽外套裝一個(gè)底部開有透光窗的降溫槽，在降溫槽內(nèi)通入冷卻液，隔斷因鹵素?zé)絷嚵姓丈涠a(chǎn)生的熱量向反應(yīng)槽內(nèi)傳導(dǎo)。同時(shí)，在耐酸泵輸出管的輸出端連接有對(duì)硅片上方反應(yīng)溶液進(jìn)行循環(huán)的花灑式?jīng)_刷機(jī)構(gòu)。本發(fā)明提供一種保持反應(yīng)溶液溫度基本恒定、避免硅片上氣泡堆積的光助電化學(xué)刻蝕裝置，適用于對(duì)大面積硅片實(shí)施長時(shí)間的穩(wěn)定深刻蝕。
文檔編號(hào)C25F3/00GK101503817SQ200910105069
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2009年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月15日
發(fā)明者牛憨笨, 趙志剛, 郭金川 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)