用于化學(xué)分析的Si各向異性濕法化學(xué)蝕刻

分析化學(xué)小型化的一個(gè)方便的起點(diǎn)是使用單c：晶體硅作為起始材料，微加工作為使技術(shù)，濕化學(xué)蝕刻作為關(guān)鍵的微加工工具。在本文中，我們回顧了硅微加工，并描述了形成可能用于化學(xué)分析應(yīng)用的通道、柱和其他幾何圖案的各向異性濕式化學(xué)蝕刻。

本文主要目的是評估不同的各向異性蝕刻劑，用于微加工柱、分裂器和其他幾何圖案的變體，可用作構(gòu)建更復(fù)雜的微加工結(jié)構(gòu)的構(gòu)建塊，并可能用于化學(xué)分析應(yīng)用。我們根據(jù)微加工，介紹各向異性濕式化學(xué)蝕刻的實(shí)驗(yàn)要求，并將詳細(xì)討論蝕刻上述圖案類型后獲得的形狀。

有幾個(gè)因素會(huì)影響蝕刻劑的選擇，其中包括蝕刻成分、時(shí)間和溫度、攪拌速率、光照條件、晶片質(zhì)量、晶體取向和摻雜等。在本工作中，僅使用表1中列出的蝕刻成分和蝕刻溫度測試了n摻雜晶片，并簡要研究了攪拌的影響。此外，只有<100>和<110>晶片被測試，因?yàn)?111>晶片通常蝕刻得太慢，沒有任何用途。

表一 所選擇的各向異性蝕刻劑的特征

硅晶片：

本文中使用的硅晶片為n型摻雜（磷），標(biāo)稱厚度為376±25μm，電阻率為2-5Q.cm。在晶片上表面以1000-1200°C氧化生長一層二氧化硅(約1μm)。

典型蝕刻程序：

蝕刻劑在使用前充分混合。將蝕刻劑置于適當(dāng)?shù)奈g刻浴中，蝕刻浴保持在所需的蝕刻溫度，將晶片浸入3%氫氟酸溶液中60秒，在60s時(shí)間周期結(jié)束時(shí)，將晶片從氟化氫溶液中取出，用去離子水沖洗60秒。將晶片放在聚四氟乙烯晶片架上，將裝有晶片的特氟隆支架浸入恒溫蝕刻槽中，并開始計(jì)時(shí)。在2小時(shí)蝕刻期結(jié)束時(shí)，將晶片從蝕刻浴和晶片支架中取出，并用去離子水沖洗（大約5分鐘）。將蝕刻的晶片吹干，所有的蝕刻都在當(dāng)?shù)亟ㄔ斓奈g刻槽中進(jìn)行。

蝕刻槽：

用于壹氧化鈉或氧氧化鉀蝕刻的簡單蝕刻浴如1a所示。使用帶有冷凝器和氯氣流的蝕刻浴如圖1b。

圖1 蝕刻槽(a)無回流和(b)有回流

安全和廢物處理：

因?yàn)楦g劑有毒，有腐蝕性，可能易燃。必須嚴(yán)格遵守材料和爆炸性或可疑致癌物、處理和虛物處置說明，必須將標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室安全實(shí)踐的應(yīng)用視為強(qiáng)制性要求。

從模式到形狀：

選定蝕刻結(jié)果的掃描電鏡照片如圖2所示，為了實(shí)現(xiàn)相互比較，為每個(gè)圖案和蝕刻劑獲得的蝕刻形狀的sem被放置在相同的圖上。為了更仔細(xì)地檢查蝕刻的表面，在某些情況下使用了更高的magrμfication。使用主觀評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對照片進(jìn)行視覺檢查，如掩模的下切割、蝕刻角和邊緣的銳度、蝕刻表面的質(zhì)量、殘留物和金字塔的形成。

圖2在蝕刻交連接通道的圖案后，在<100>晶片上獲得的形狀

引用效應(yīng):

我們也研究了攪拌的效果，雖然很簡單，并使用氫氧化鈉蝕刻<100>蝕片。與預(yù)期的一樣，攪拌對蝕刻的形狀有顯著影響。在沒有攪拌的情況下，相互連接的通道顯示尖銳的90°，如圖3a。但是，隨著攪拌，90個(gè)°端被摧毀，相互連接的通道的中心被轉(zhuǎn)換成星形如圖3b。然而，并不是所有90°都被摧毀。例如，攪拌對有90°凹角的正方形的影響很小。3c和3d，很可能是因?yàn)檫@些來角被<111>平面所包圍。

圖3 激動(dòng)效應(yīng)

圓圈保持了它們的形狀如圖3e。然而，隨著攪拌的不同，根據(jù)大小，圓變成了矩形或多邊形，圖中顯示了一個(gè)例子，如圖3f。

與MEMS和微電子學(xué)類似，實(shí)驗(yàn)條件已被發(fā)現(xiàn)對蝕刻圖案的形狀有顯著影響。此外，晶圓上圖案的幾何形狀被發(fā)現(xiàn)是定義蝕刻形狀的一個(gè)重要變量，在化學(xué)分析應(yīng)用的微加工結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)加以考慮?？偟膩碚f，可以得出結(jié)論，在獲得可用的微加工結(jié)構(gòu)之前，需要廣泛的實(shí)驗(yàn)。本工作中報(bào)告的發(fā)展可用于掩模設(shè)計(jì)，例如，角補(bǔ)償，可有助于向MEMS課程C35l添加分析化學(xué)組件，并可能有助于未來分析工具的小型化，如小瓶、燒杯、傳感器、儀器組件、模塊甚至整個(gè)化學(xué)分析微儀器。盡管這種未來的擴(kuò)展在智力上很有吸引力，概念上很簡單，但它們的實(shí)現(xiàn)可能被證明是具有挑戰(zhàn)性的。
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　　審核編輯人：鄢夢凡