大面積光助電化學(xué)刻蝕裝置的設(shè)計與制作

大面積光助電化學(xué)刻蝕裝置的設(shè)計與制作

硅光裕電池雕刻是硅在氫氟酸hf溶液中陽氣溶解的過程。首先，它被提出用于不規(guī)則分布多孔硅的制造。20世紀(jì)90年代，德國lehamon等人首次提出了能在表面預(yù)制構(gòu)件上建造n型硅，并根據(jù)光裕電池雕刻的法律，建立了一個深度和寬度比的微結(jié)構(gòu)。后來，光裕電池雕刻法主要用于微機械系統(tǒng)（ss）和光裕電氣田。與以電子表達容量為特征的離子深度反應(yīng)（cp）技術(shù)相比，光裕電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電池電。X射線光柵是基于光柵微分X射線相位襯度成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件.由于X射線光柵具有硅深槽結(jié)構(gòu),適合于使用光助電化學(xué)刻蝕法制作.但是在本文所涉及的相位襯度成像系統(tǒng)中,硅深槽需要在整個127mm(5inch)硅片上制作,并且深度需要達到60μm以上,所以在制作過程中需要解決以下兩個主要問題.(1)大面積硅片上各處刻蝕的均勻性.通常光助電化學(xué)刻蝕中所用的硅片面積只有5cm2左右,而本系統(tǒng)中所用127mm硅片的有效刻蝕面積達到了80cm2以上,硅片上各處容易出現(xiàn)刻蝕不均勻的問題.(2)深槽形貌的一致性.本系統(tǒng)中硅深槽的深度在60μm以上,隨著刻蝕深度的增加,容易出現(xiàn)槽壁變厚甚至是在槽底形成分立小孔的現(xiàn)象,從而造成深槽形貌的一致性下降.本文首先結(jié)合傳統(tǒng)光助電化學(xué)刻蝕裝置及工藝流程對上述兩個問題進行介紹,然后分別對造成這兩個問題的原因進行分析,并找出相應(yīng)的解決方法.1光助電化學(xué)刻蝕傳統(tǒng)光助電化學(xué)刻蝕裝置如圖1所示.電化學(xué)反應(yīng)槽由耐HF的聚四氟乙烯材料制成.硅片通過一個鋁環(huán)固定在反應(yīng)槽的底部.鋁環(huán)與直流電源正極相連,給硅片背面提供電場.為增加電場的均勻性,通過光刻和蒸鍍等標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝在硅片背面制作一層鋁柵格或其他金屬薄膜.鉑金電極作為陰極與直流電源的負極相連,放置在HF溶液中與硅片上表面相距5mm的位置.光源為鹵素?zé)?與硅片的距離約6cm.實驗中所用到的硅片為127mmn型硅片,〈100〉晶向,電阻率為3～6Ω·cm.反應(yīng)溶液由40%的氫氟酸HF、無水酒精C2H5OH和水H2O按1∶2∶14的體積比配制而成.酒精的作用是加速氣泡的溶解速度.圖2為光助電化學(xué)刻蝕的工藝流程:首先在硅片正面生長一層0.3μm厚的氮化硅(圖2(b));然后通過光刻和反應(yīng)離子刻蝕(reactiveionetching,RIE)在氮化硅層上制作周期為5.6μm、線寬為2.8μm的初始圖案(圖2(c));接下來將硅片置于濃度為10%的KOH溶液中制作初始V型槽(圖2(d));最后利用光助電化學(xué)刻蝕法在HF溶液中制作硅深槽(圖2(e)).在電化學(xué)刻蝕過程中,一般都是通過調(diào)節(jié)光源光強或電源電壓的方法,使刻蝕電流維持在一個穩(wěn)定值,即在恒流狀態(tài)下刻蝕.通過上述刻蝕裝置和工藝流程制作硅深槽時的第1個問題是大面積硅片刻蝕時不同區(qū)域間的刻蝕均勻性很差.圖3為硅片上3個不同區(qū)域刻蝕結(jié)果的掃描電鏡(scanningelectronmicroscope,SEM)照片.本實驗電壓為2.85V,通過調(diào)節(jié)光照強度使刻蝕電流穩(wěn)定在2.58A.如圖3(a)所示,邊緣區(qū)域的深槽槽壁發(fā)生彎曲變形.而圖3(c)顯示的中間區(qū)域深槽底部完全變成了分立小孔.只有圖3(b)中所顯示處于邊緣與中心之間的區(qū)域深槽形貌較好.顯然,這種結(jié)果不能用于正式X射線光柵器件的制作.上述刻蝕裝置和工藝流程中出現(xiàn)的第2個問題表現(xiàn)在長時間刻蝕過程中硅深槽的形貌會發(fā)生變化.硅深槽形貌的變化,主要體現(xiàn)在產(chǎn)生分立小孔和槽壁變厚兩個方面.其中,產(chǎn)生分立小孔與圖3(c)所示的情況相似.圖4給出了這種情況下從3個不同方向測試得到的SEM照片.從圖4中的3個方向都可以看出當(dāng)刻蝕進行到一定深度之后,深槽底部的硅并沒有完全刻蝕掉,而留下一系列分立的小孔.槽壁變厚的現(xiàn)象在圖5中得到了體現(xiàn).本實驗同樣是通過調(diào)節(jié)光照來維持恒流刻蝕.從圖5中可以看出,隨著刻蝕的進行,深槽的壁厚不斷增加,而刻蝕掉的硅所占比例越來越小.顯然,這種形貌也不適合制作實用的X射線光柵.2傳統(tǒng)光助電化學(xué)刻蝕裝置的缺陷為了實現(xiàn)大面積硅片的均勻刻蝕,必須找出在傳統(tǒng)光助電化學(xué)刻蝕裝置中造成刻蝕不均勻的原因,然后對其進行改進.經(jīng)過大量實驗觀察和理論分析發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)光助電化學(xué)刻蝕裝置中主要存在反應(yīng)溶液中的氫氣泡難以及時清除和反應(yīng)溶液溫度升高兩個問題.2.1傳統(tǒng)光刻蝕刻技術(shù)的問題2.1.1hf溶液與硅表面的接觸硅在氫氟酸中溶解的反應(yīng)會產(chǎn)生大量氫氣,整體反應(yīng)過程如下:Si+6ΗF+2h+→SiF2-6+Η2+4Η+(1)所產(chǎn)生氫氣泡的主要危害在于局部阻礙了電化學(xué)反應(yīng)的順利進行.出現(xiàn)的情況主要有兩種:一是微小的氣泡附著在溝槽內(nèi)壁及硅片上表面,阻礙了HF溶液與相應(yīng)硅表面的接觸;二是大的氣泡團聚于電極與硅片上表面之間的局部區(qū)域,同樣阻礙HF溶液與相應(yīng)區(qū)域硅表面的接觸.在大面積硅片的光助電化學(xué)刻蝕裝置中,第2種情況的危害更大.因為在這類裝置中,為了給硅片提供均勻電場,需要使用細密的鉑金網(wǎng),該刻蝕裝置中使用整塊鉑金片作為陰極,而陰極與硅片間的距離需要控制在1cm以內(nèi).這就造成氣泡很難及時地從這樣一個面積很大而距離很小的區(qū)域內(nèi)離開并消除.通常采用循環(huán)泵對反應(yīng)溶液進行循環(huán),以消除氣泡.但在大面積硅片刻蝕裝置中,這種循環(huán)的效果收效甚微.Mlcak等將循環(huán)泵的出水管做成“Y”型,但也只是兩個點的循環(huán),難以滿足整個面上均勻沖刷.在實驗中可以明顯觀察到的現(xiàn)象就是,大約在3～5min內(nèi)就會有一個巨大的氣泡從溶液中冒出,與之相伴隨的現(xiàn)象是刻蝕電流的大幅增加.2.1.2溫度對刻蝕的影響為了對大面積硅片進行刻蝕,需要大功率光源,如系統(tǒng)中所用的光源為14盞250W鹵素組成的一個陣列,總功率達3500W.這樣就造成長時間(1h及以上)電化學(xué)刻蝕過程中,反應(yīng)溶液的溫度迅速升高,一般由室溫升至70℃左右.溶液溫度升高對整個電化學(xué)刻蝕有很大的影響.式(2)給出了刻蝕峰值電流Jps(A/cm2)與溶液溫度t(℃)的關(guān)系.Jps=Cw1.5exp(-EaΚt)(2)式中:C=3300A/cm2;Ea=0.345eV;ω為HF溶液質(zhì)量濃度.從式(2)可以看到峰值電流Jps與溶液溫度t呈指數(shù)變化關(guān)系,溶液溫度t的變化能夠顯著地影響刻蝕條件的變化.制作反應(yīng)槽的材料為聚四氟乙烯,是熱的不良導(dǎo)體,使用通常的冷卻方法難以對反應(yīng)槽內(nèi)部的反應(yīng)溶液進行冷卻.對于反應(yīng)溶液升溫的問題,通常的做法是將反應(yīng)溶液通過泵抽到另一個大的容器中,依靠大容器內(nèi)的相同配比的低溫反應(yīng)溶液進行中和.這種方法對小尺寸硅片的進行是適用的.但在大面積硅片進行長時間深刻蝕時,即使是大容器內(nèi)的反應(yīng)溶液也會逐漸升溫,而且需要消耗大量的溶液,效果不好.2.2統(tǒng)光助電化學(xué)刻蝕裝置為了克服傳統(tǒng)光助電化學(xué)刻蝕裝置中的這兩大問題,本文設(shè)計并制作了一套新型大面積硅片光助電化學(xué)刻蝕裝置,結(jié)構(gòu)如圖6所示.除了為使硅片與鋁環(huán)之間有更好的接觸效果,在兩者之間放置一層厚度為0.4mm的鋁箔之外,本裝置相對于圖1所示的傳統(tǒng)光助電化學(xué)刻蝕裝置主要有兩處變化:①建立了一個花灑式溶液循環(huán)機構(gòu);②增加了一個水冷隔熱系統(tǒng).花灑式的溶液循環(huán)機構(gòu)由鉑金電極、中空的電極腔體和耐酸循環(huán)泵組成.中空電極腔體的上端小口與耐酸循環(huán)泵的出水管相連,下端則與鉑金電極緊密配合.鉑金電極上開有均勻的網(wǎng)狀小孔,保證了反應(yīng)溶液經(jīng)循環(huán)泵注入后能夠均勻地從小孔流出,從而使整個硅片表面得到均勻的沖刷.水冷隔熱系統(tǒng)由隔熱槽、恒溫槽和反應(yīng)槽組成.隔熱槽底部與硅片相對應(yīng)的地方開有透光的玻璃窗.恒溫槽將隔熱槽內(nèi)的純水降溫后,以恒定的溫度注入到玻璃窗與硅片之間.這樣純水能夠及時將鹵素?zé)絷嚵兴a(chǎn)生的熱量帶走,使硅片背面不被加熱,從而避免了溶液升溫.這種設(shè)計是考慮到,硅在HF溶液中的溶解反應(yīng)不是放熱反應(yīng),只要隔斷從光源到硅片的熱傳遞就能防止反應(yīng)溶液升溫.2.3sem結(jié)果與分析實驗測試結(jié)果顯示,利用上述大面積硅片電化學(xué)刻蝕裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對大面積硅片的均勻刻蝕.在反應(yīng)過程中可以觀察到微小氣泡連續(xù)地從鉑金電極四周溢出后迅速地溶解在反應(yīng)溶液中,不會出現(xiàn)冒出大氣泡和刻蝕電流驟然跳變的現(xiàn)象.所刻蝕出來的硅片表面在外觀上均勻一致.另外,在長達數(shù)小時的刻蝕時間內(nèi),反應(yīng)溶液的溫度變化都能夠很好地控制在±0.2℃的范圍內(nèi).圖7為利用新型光助電化學(xué)刻蝕裝置在整個127mm硅片上所制作的硅深槽的SEM照片.本實驗中,通過調(diào)節(jié)光照使電流恒定為2.26A.從圖中可以看到,3個不同位置測試的深槽形貌基本相同,均勻性很好.3深槽的形貌研究利用上述新型光助電化學(xué)刻蝕裝置雖然實現(xiàn)了整個大面積硅片的均勻刻蝕,但從圖7中可以看出深槽壁厚在逐漸增加,即深槽形貌不一致的問題仍然沒有得到解決.上文提到深槽形貌不一致有兩種表現(xiàn):一是如圖5和圖7所示的槽壁變厚;二是如圖4所示的槽底出現(xiàn)分立小孔.從表面上看,這兩種深槽形貌不一致的問題并不相關(guān),但造成這兩種現(xiàn)象都有一個共同的原因,即隨著刻蝕的進行深槽底部的實際電流密度在逐漸下降,其原因在于深槽側(cè)壁上也分流了一部分空穴進行硅的溶解反應(yīng),即側(cè)向腐蝕.理想情況下,光助電化學(xué)刻蝕的原理就是依靠深孔或深槽尖端空間電荷區(qū)的作用,將硅片底部的光生空穴都聚集在一起形成完全各向異性刻蝕.但是在實際的刻蝕過程中,受光源波長、工作電壓和硅片電阻率等因素的影響,總有一部分空穴會運動到側(cè)壁上參與電化學(xué)反應(yīng),同樣形成了一定量的刻蝕電流.在通常實驗中都采用穩(wěn)定刻蝕電流的恒流模式,因此深槽底部的實際電流密度會因側(cè)壁所產(chǎn)生的電流而不斷減小.下面具體分析深槽底部電流密度變小后,是如何導(dǎo)致這兩種形貌不一致的.由于光助電化學(xué)刻蝕反應(yīng)是一種自適應(yīng)反應(yīng),當(dāng)電流密度發(fā)生變化時,深槽的形貌會作出相應(yīng)改變.形貌改變的第一種情況即為圖5和圖7所示的槽壁變厚.這是因為槽壁變厚之后,硅發(fā)生溶解反應(yīng)的實際面積減小了,這樣就仍能暫時維持原來的電流密度.當(dāng)電流密度進一步減小,以致無法維持整個深槽底部的均勻刻蝕時,就會出現(xiàn)圖4中產(chǎn)生分立小孔的情況.在深孔陣列制作中,Barillaro等用高密度宏孔重新分布的模型,對這一現(xiàn)象的演變過程進行了詳細的分析.本文作者在之前的文章中也運用相似的觀點,就深槽制作中電流密度過小、適中和過大3種情況對深槽形貌的影響進行過分析.基于以上分析,可以考慮通過合理調(diào)節(jié)刻蝕電流的方法來補償因側(cè)壁腐蝕產(chǎn)生電流對槽底電流密度的影響.圖8為通過逐步加大光照強度以增加刻蝕電流的方法所制作的硅深槽.本實驗所用電壓為3.0V,初始電流為2.24A,然后以0.01A/min的速度遞增,所制作深槽深度為60.7μm.從圖8中3個方向的測試結(jié)果可以看出,槽壁上下厚度基本相同,槽底沒有出現(xiàn)分立小孔,硅深槽的形貌一致性顯著提高.4硅片刻蝕和深槽形貌一致性技術(shù)針對大面積硅片光助電化學(xué)刻蝕中出現(xiàn)硅片各處刻蝕不