一種電場輔助的矽通孔刻蝕工藝的製作方法
2023-06-09 09:55:51 2
專利名稱：一種電場輔助的矽通孔刻蝕工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及微納製造領域，更具體地，涉及ー種電場輔助的矽通孔金屬催化刻蝕ェ藝。
背景技術：
隨著電子信息、汽車電子、航空航天等行業的快速發展，其對微機電系統、微流體系統的加工及封裝也提出了更高的要求。三維集成電子封裝需要在矽片上製作出許多通孔來實現不同晶片之間的電互連。微流體系統中需要各種製作各種流體孔道。因此矽通孔刻蝕技術成為微納製造領域的ー項重要技術。
娃通孔刻蝕技術實質上為ー種深娃刻蝕技術。目前，深娃刻蝕一般利用ICP設備，採用Boschエ藝，該エ藝屬於幹法刻蝕エ藝，使用刻蝕氣體和鈍化氣體重複交替加工以提高矽刻蝕的選擇性和深寬比，但這種エ藝不可避免的會在側壁產生波紋。其側壁光滑度及垂直度均不夠理想。另外利用上述エ藝刻蝕通孔需要上百次的循環，光刻膠會被破壞，難以保護矽片表面，影響表面質量。另外ICP設備及刻蝕氣體非常昂貴，不利於該項技術的普及應用。近年來，金屬催化刻蝕エ藝快速發展，利用單ー貴金屬顆粒或薄膜可以實現納米尺度圖形的深刻蝕，但實現通孔刻蝕仍然非常困難，而且對於微米尺度的圖形深刻蝕難以實現。因此，開發出高效、低成本的製造エ藝及設備，對於エ業生產及經濟發展都具有非常重要的意義。
發明內容
針對現有技術的缺陷，本發明提供一種電場輔助的矽通孔刻蝕エ藝，實現從數十納米至數百微米尺度的各種微納米尺度通孔結構的刻蝕。一種電場輔助的矽通孔刻蝕エ藝，其特徵在於，包括以下步驟(I)在單晶矽片上旋塗光刻膠，並通過光學光刻或電子束光刻得到目標通孔結構對應的光刻膠圖形；(2)在刻有光刻膠圖形的單晶矽片上鍍金膜或銀膜；(3)將鍍金膜或銀膜的單晶矽片置於電場環境中，採用HF、H202和去離子水的混合溶液作為刻蝕劑對其作金屬催化刻蝕；(4)去除光刻膠；(5)去除單晶矽片上殘留的金屬膜井清洗乾淨。進ー步地，所述電場強度為10 500v/m。進一步地所述電場方向垂直於娃片表面。進ー步地所述目標通孔孔徑尺度大於20 y m吋，所述光刻膠圖形對應該孔的邊緣形狀；所述目標通孔孔徑尺度小於20 y m時，光刻圖形對應該孔的形狀。進ー步地，所述鍍膜採用磁控濺射、電子束蒸發或者電鍍エ藝。
進ー步地，所述金膜或銀膜厚度為20 50nm。進ー步地，所述HF、H202和去離子水的混合溶液中，HF的質量百分比為5% 15%，H2O2的質量百分比為0. 5% 3%。ー種矽微納尺度的矽通孔結構，按照前述的方法而製得。本發明的技術效果體現在金屬催化刻蝕エ藝是是ー種設備要求簡單、操作簡便、反應迅速的矽納米線陣列製備技術，本發明通過優化金屬催化薄膜的結構，並在反應引入電場，由於電場對電化學反應中電荷的傳遞產生增強影響，實現了微米尺度孔的刻蝕；通過在刻蝕過程中控制電場強度由此形成從數十納米至數毫米尺度的各種微納米尺度通孔結構，並提高了刻蝕孔的準直
度。
圖I為本發明製造方法的エ藝流程圖；圖2為按照本發明的實施例一所製得的通孔結構示意圖，刻蝕前金屬膜的位置即是刻蝕後通孔的位置；圖3為按照本發明的實施例ニ所製得的通孔結構示意圖，3 (a)為刻蝕前金屬膜示意圖，3 (b)為未刻穿時形成的深孔結構，3 (c)為刻穿之後形成的通孔結構；圖4是按照本發明的實施例三所製得的納米尺度通孔陣列結構示意圖，圖4a為為刻蝕前的通孔陣列，圖4b為刻蝕後的通孔陣列。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明進行具體描述。實施例一參見圖I和圖2，圖I是本發明方法的エ藝流程方框圖。圖2是按照本發明的實施例一所製得的通孔結構示意圖，如圖I和圖2中所示，本實例中電場輔助的矽通孔金屬催化刻蝕エ藝包括下列具體步驟(a)清洗單晶矽片，然後在其表面上旋塗光刻膠，並通過光刻エ藝將所需特徵尺度為5微米的方形孔和三角形孔結構對應的掩膜上的微米尺度圖形轉移到光刻膠上，由此形成微米孔的光刻膠圖形。(b)在形成有上述微米孔光刻膠的單晶矽片上，採用磁控濺射エ藝鍍金膜40nm。(c)採用HF、H202及去離子水的混合溶液作為刻蝕劑，對單晶矽片進行金屬催化刻蝕，刻蝕反應處在強度為200v/m的電場之中，電場方向垂直於娃片表面，所述混合溶液中，HF和H2O2的質量百分比分別為10%和0. 8%，由此可以刻蝕出各種形狀的垂直矽通孔結構；(d)使用超聲輔助丙酮清洗矽片lOmin，由此去除光刻膠；(e)使用質量分數為69%的濃硝酸浸泡矽片，去除矽片上殘留的金屬薄膜；之後用去離子水衝洗矽片。實施例ニ參見圖I和圖3，圖3是按照本發明的實施例ニ所製得的大尺寸通孔結構示意圖。其具體製造エ藝步驟包括
(a)清洗單晶矽片，然後在其表面上旋塗光刻膠，並通過光刻エ藝將掩膜上的直徑約200微米的圓環類圖形轉移到光刻膠上，由此形成微米環孔的光刻膠圖形。(b)在形成有上述微米環孔的單晶矽片上，採用電子束蒸發エ藝鍍銀膜50nm。(c)採用HF、H202及去離子水的混合溶液作為刻蝕劑，對單晶矽片進行金屬催化刻蝕，刻蝕反應處在強度為500v/m的電場之中，電場方向垂直於娃片表面，所述混合溶液中，HF和H2O2的質量百分比分別為15%和3%，由此可以刻蝕出各種垂直通孔結構；Cd)使用丙酮超聲清洗娃片IOmin,由此去除光刻膠；(e)使用質量分數為69%的濃硝酸浸泡矽片，去除矽片上殘留的金屬薄膜；之後用大量去離子水衝洗矽片。·
實施例三參見圖I和圖4，圖4是按照本發明的實施例三所製得的納米尺度通孔陣列結構示意圖。其具體製造エ藝步驟包括(c)清洗單晶矽片，然後在其表面上旋塗光刻膠，並通過電子束光刻エ藝形成50納米孔陣列對應的光刻膠圖形。(d)在形成有上述納米孔光刻膠圖形的單晶矽片上，採用磁控濺射エ藝鍍銀膜20nmo(c)採用HF、H202及去離子水的混合溶液作為刻蝕劑，對單晶矽片進行金屬催化刻蝕，刻蝕反應處在強度為10v/m的電場之中，電場方向垂直於娃片表面，所述混合溶液中，HF和H2O2的質量百分比分別為5%和0. 5%，由此可以刻蝕出各種垂直通孔結構；Cd)使用丙酮超聲清洗矽片lOmin，由此去除光刻膠；(e)使用質量分數為69%的濃硝酸浸泡矽片，去除矽片上殘留的金屬薄膜；之後用大量去尚子水衝洗娃片。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種電場輔助的矽通孔刻蝕工藝，其特徵在於，包括以下步驟 (1)在單晶矽片上旋塗光刻膠，並通過光學光刻或電子束光刻得到目標通孔結構對應的光刻膠圖形； (2)在刻有光刻膠圖形的單晶矽片上鍍金膜或銀膜； (3)將鍍金膜或銀膜的單晶矽片置於電場環境中，採用HF、H202和去離子水的混合溶液作為刻蝕劑對其作金屬催化刻蝕； (4)去除光刻膠； (5)去除單晶矽片上殘留的金屬膜並清洗乾淨。
2.如權利要求I所述的一種電場輔助的矽通孔刻蝕工藝，其特徵在於，所述電場強度為 10 500v/m。
3.如權利要求I或2所述的一種電場輔助的矽通孔刻蝕工藝，其特徵在於，所述電場方向垂直於娃片表面。
4.如權利要求I或2所述的電場輔助的矽通孔刻蝕工藝，其特徵在於，所述目標通孔孔徑尺度大於20 μ m時，所述光刻膠圖形對應該孔的邊緣形狀；所述目標通孔孔徑尺度小於20 μ m時，光刻圖形對應該孔的形狀。
5.如權利要求I或2所述的電場輔助的矽通孔刻蝕工藝，其特徵在於，所述鍍膜採用磁控濺射、電子束蒸發或者電鍍工藝。
6.如權利要求I或2所述的一種電場輔助的矽通孔刻蝕工藝，其特徵在於，所述金膜或銀膜厚度為20 50nm。
7.如權利要求I或2所述的電場輔助的矽通孔刻蝕工藝，其特徵在於，所述HF、H202和去離子水的混合溶液中，HF的質量百分比為59Tl5%，H2O2的質量百分比為O. 5°/Γ3%。
8.—種矽微納尺度的矽通孔結構，由按照權利要求1-7任意一項所述的方法而製得。
全文摘要
本發明公開了一種電場輔助的矽通孔刻蝕工藝，包括步驟(1)在單晶矽片上旋塗光刻膠並通過光學光刻或電子束光刻得到光刻膠圖形；(2)鍍上銀膜或金膜；(3)在電場之中，採用HF、H2O2和去離子水的混合溶液作為刻蝕劑進行金屬催化刻蝕；(4)去除光刻膠；(5)去除單晶矽片上殘留的金屬膜並進行清洗處理。本發明通過在刻蝕過程中控制電場強度，由此形成從數十納米至數百微米尺度的各種微納米尺度通孔結構。
文檔編號H01L21/768GK102956548SQ20121044535
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月9日 優先權日2012年11月9日
發明者廖廣蘭, 史鐵林, 孫博, 盛文軍, 張康, 湯自榮, 夏奇, 高陽, 譚先華 申請人:華中科技大學