利用原子力顯微鏡測量硅蝕刻速率

本文提出了一種利用原子力顯微鏡(AFM)測量硅蝕刻速率的簡單方法，應用硅表面的天然氧化物層作為掩膜，通過無損摩擦化學去除部分天然氧化物，暴露底下新鮮硅。因此，可以實現(xiàn)在氫氧化鉀溶液中對硅的選擇性蝕刻，通過原子精密的AFM可以檢測到硅的蝕刻深度，從而獲得了氫氧化鉀溶液中精確的硅蝕刻速率。

首先，在乙醇中通過超聲波清洗硅基底，使用原子力顯微鏡，在潮濕空氣（相對濕度?50%）劃傷二氧化硅尖端后，通過摩擦化學去除清潔硅基板表面3×3μm2方形區(qū)域內的天然氧化物，如圖1所示，磨損面積的深度為～2nm，超過了天然氧化硅的厚度，因此，四方形區(qū)域的新鮮底下硅原子被暴露出來，利用真空中的氮化硅尖端進行AFM表面形貌掃描，確定了硅基底表面的方形區(qū)域的表面形貌和方形區(qū)域的深度d0。

圖1

第二，經(jīng)過初始表面形貌掃描后，將處理后的硅襯底在室溫下用一定pH的制備的氫氧化鉀溶液中浸泡一定時間，硅(Si-100)的蝕刻率是氧化硅的185倍，而低濃度氫氧化鉀溶液中氧化硅的蝕刻率極低。因此，在短時間內，氫氧化鉀溶液幾乎無法蝕刻天然氧化硅，但暴露的新鮮底下硅可以明顯地蝕刻，經(jīng)過一段時間后，取出硅襯底，然后用超純水沖洗，然后，通過AFM掃描蝕刻后的硅襯底表面，得到四方形面積的深度d1。

最后，在氫氧化鉀溶液中蝕刻后，可以估計硅面積的蝕刻深度，蝕刻深度Δd為d0與d1之間的差值(Δd=d1?d0)，在硅襯底的蝕刻后，立即記錄了蝕刻時間t，因此，得到了硅的蝕刻速率Re，即Re=Δd/t，為了獲得更精確的蝕刻速率，對每個氫氧化鉀溶液重復上述測量過程至少三次，并將所有蝕刻速率值平均得到硅的最終蝕刻速率。

用不同的pHs對氫氧化鉀溶液中硅的蝕刻：為了驗證該方法的可行性和有效性，應測量氫氧化鉀溶液中硅的蝕刻速率，利用該方法在室溫下，在五種pH值不同的氫氧化鉀溶液中蝕刻硅，pH值表明，氫氧化鉀溶液濃度相對較低(5×10?4mol/L-0.1mol/L)，pH值與氫氧化鉀調整泥漿一致，確保硅化學機械拋光(CMP)。因此，在這些氫氧化鉀溶液中，硅的蝕刻特性不僅證實了所提出的新方法，而且可能對研究硅CMP的蝕刻行為具有重要意義，通過去除硅襯底表面的方形區(qū)域中的天然氧化物，并在氫氧化鉀溶液中對暴露的新鮮硅進行了蝕刻。

簡短的測量示意圖如圖所示2，上行的AFM圖像顯示磨損、未蝕刻區(qū)域的一側，下行的AFM圖像顯示不同蝕刻時間t下在不同氫氧化鉀溶液中蝕刻磨損區(qū)域的相應一側,蝕刻面積的粗糙度會隨著氫氧化鉀溶液的pH值的增加而增加，由于空氣中溶解的二氧化碳，氫氧化鉀溶液的pH值可能隨著蝕刻時間的增加而有一定程度的降低。由于pH值在整個蝕刻過程中的變化不超過0.3，因此可能對硅的蝕刻沒有顯著影響。為了產(chǎn)生AFM能準確檢測到的適當?shù)奈g刻深度，該蝕刻時間應適用于每個氫氧化鉀溶液中的硅的蝕刻。

圖2

除了摩擦化學去除外，沒有進行任何方法在硅表面制備掩模膜的其他方法，它只用于去除部分天然氧化物以暴露新鮮的底層硅,氧化硅的蝕刻速度是氫氧化鉀對硅的185倍，在低堿pH值的氫氧化鉀溶液中蝕刻速率較低。因此，利用天然氧化物作為掩膜，可以實現(xiàn)硅襯底上硅的選擇性蝕刻。

在之前的原子力顯微鏡研究中，硅在原子力顯微鏡上對二氧化硅微球進行了微/納米耳測試，以檢測硅的磨損行為,當在潮濕的空氣和水中進行磨損試驗時，摩擦化學反應導致了硅表面的物質去除,透射電子顯微鏡對硅表面磨損區(qū)域的觀察表明，磨損區(qū)域下的硅原子和晶格保持了其完整性。因此，硅的結構沒有受到破壞。在上述研究的基礎上，可以在不破壞硅襯底表面的天然氧化物而去除硅襯底表面的天然氧化物，從而確保硅襯底表面的光滑蝕刻。

在其他氫氧化鉀溶液(pH分別為10.7、12和12.5)中進行相同的測量過程,由于實驗誤差，每個測量結果之間的差異可能會出現(xiàn)在重復測量過程中,pH為11.4的氫氧化鉀中硅的刻蝕深度較淺，蝕刻時間長，三個測量步驟的蝕刻深度Δd分別為0.4、0.4和0.3nm,每次蝕刻時間為30min,因此，平均蝕刻速率約為0.012nm/min,盡管蝕刻速率較低，但AFM可以精確地檢測到蝕刻深度，并得到了蝕刻速率。

在之前的研究中，我們測量了氫氧化鉀溶液中的靜態(tài)蝕刻速率作為pH（11-13）的函數(shù)，以研究硅的蝕刻機理,通過該方法測定的硅的蝕刻速率的變化幾乎與之前的靜態(tài)蝕刻速率的變化相一致，從而證實了該方法的有效性。

綜上所述，在硅表面自然形成的天然氧化物作為掩膜，通過摩擦化學去除硅襯底表面的部分天然氧化物會產(chǎn)生硅的選擇性蝕刻,利用原子力顯微鏡，氫氧化鉀溶液中硅的蝕刻率。這些特征表明，所提出的測量硅蝕刻速率的方法具有合理的創(chuàng)新性。

最后通過提出簡單、低成本的氫氧化鉀溶液中硅蝕刻速率的測定方法，硅襯底表面的天然氧化物作為掩膜，以實現(xiàn)硅的選擇性蝕刻。在該方法中，通過對原子力顯微鏡上的二氧化硅微小的摩擦化學反應，部分去除硅襯底上的天然氧化物，去除過程不會破壞底下硅的結構。因此，新鮮的底下硅可以平滑地暴露和蝕刻，通過對AFM的原子精度測量，可以檢測到硅的超淺蝕刻深度，這可以在低堿pH（或超低濃度）的氫氧化鉀溶液中獲得蝕刻速率，該方法可以提供一種新的、簡單的測量某些材料蝕刻速率的概念，并確保材料蝕刻工藝設計所需的蝕刻速率的高精度測量。

　　審核編輯：湯梓紅