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利用掃描電鏡觀察氫氧化鉀蝕刻制備的硅微觀結構

 更新時間:2017-12-07 點擊量:4358

氫氧化鉀蝕刻 (KOH)是制造微型器件的一個重要工藝,用于從硅片上去除材料。選擇性地蝕刻硅片的某些部分,用一層二氧化硅或掩膜來保護剩下的部分。然而,殘留物的存在成為這種技術的一個缺點,因為它會對器件的制造過程產生負面影響。在這篇博客中,我們提出了一種利用蝕刻殘留物的方法,將其作為后續蝕刻的掩膜,以制造兩層微結構。我們還提供了如何有效地利用掃描電鏡SEM對這些微結構進行成像的例子。

 

KOH化學硅蝕刻技術

 

蝕刻是微加工中一個非常重要和關鍵的過程,在此過程中,材料通過蝕刻劑在硅片表面進行化學去除。蝕刻有兩種: 濕蝕刻,蝕刻劑是液體,和干蝕刻,蝕刻劑是等離子體。干蝕刻是各向異性的,因此在蝕刻材料中形成垂直側壁,如圖1a所示。在另一方面,濕蝕刻劑通常是各向同性,這意味著蝕刻在各個方向都是均勻的,產生圓壁和削弱效果,如圖1b所示。

 

KOH是一種液相蝕刻劑,在晶體平面上是各向異性的。因此,它對硅片的晶體取向很敏感,產生梯形截面腔,如圖1c所示。KOH蝕刻的主要缺點之一是殘留物的沉積,這是由蝕刻劑和被移出材料之間的相互作用所造成的: 是這項技術zui薄弱的一點。

 

圖1: 生成的基體橫截面示意圖,(a) 各向異性的侵蝕,(b)一個*各向同性的侵蝕,(c)一個濕蝕刻的各向異性腐蝕劑

 

實驗結果

 

在zui近出版的一篇文章中,Han Lu et al. 描述了他們對用KOH 方法硅的單步各向異性濕蝕刻所制備兩層微結構的研究。這可以通過在隨后的KOH蝕刻中的殘留物作為掩膜來實現。如圖2所示,不同的微觀結構可以用KOH蝕刻制作。(Micromachines 2016, 7, 19; doi:10.3390)

 

在a - b中,由KOH蝕刻制作的單層微金字塔,在c - d兩層的微金字塔中,KOH蝕刻使用殘留物作為第二掩膜層。在這兩種情況下,硅片上都覆蓋著二氧化硅層。這是由光學光刻技術,使用氫氟酸蝕刻產生的。二氧化硅層作為之后KOH蝕刻步驟的掩模。在圖2的右側,蝕刻步驟的殘留物被用作制造兩層微結構的掩模。

 

圖2:  (a) 和 (b) 沒有殘留物作為第二蝕刻掩膜,(c )和(d)有第二蝕刻掩膜的制備工藝流程和SEM 成像

 

通過掃描電鏡成像觀察不同的微結構

 

通過調整一些蝕刻參數,例如時間(如圖3所示的SEM圖像)和KOH濃度(如圖4所示),可以制作出不同形狀的微結構。

 

在*種情況下,溫度影響到微金字塔的高度和墻壁結構。通過改變濃度,微觀結構的形狀從正方形變為八角形,方角變為了圓形。

 

圖3: 通過 SEM 對在不同時間段KOH 蝕刻用殘馀層作為掩模的成像

 

圖4: 通過SEM 圖像了解不同濃度的 KOH蝕刻用殘留層作為掩模

 

從圖2、圖3和圖4中可以看出,掃描電鏡 (SEM) 非常適合對微觀結構進行成像。它有助于了解單個因素及其在整個蝕刻過程中的影響,從而有助于構建微結構的形狀和尺寸。在范圍內,SEM提供了一種強大的方法來獲得視覺表征,并通過調整制造技術的參數 (在本例中是KOH蝕刻) ,來證明微結構的質量差異性。

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