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利用扫描电镜观察氢氧化钾蚀刻制备的硅微观结构

 发布时间:2017-12-07 点击量:2636

氢氧化钾蚀刻 (KOH)是制造微型器件的一个重要工艺,用于从硅片上去除材料。选择性地蚀刻硅片的某些部分,用一层二氧化硅或掩膜来保护剩下的部分。然而,残留物的存在成为这种技术的一个缺点,因为它会对器件的制造过程产生负面影响。在这篇博客中,我们提出了一种利用蚀刻残留物的方法,将其作为后续蚀刻的掩膜,以制造两层微结构。我们还提供了如何有效地利用扫描电镜SEM对这些微结构进行成像的例子。

 

KOH化学硅蚀刻技术

 

蚀刻是微加工中一个非常重要和关键的过程,在此过程中,材料通过蚀刻剂在硅片表面进行化学去除。蚀刻有两种: 湿蚀刻,蚀刻剂是液体,和干蚀刻,蚀刻剂是等离子体。干蚀刻是各向异性的,因此在蚀刻材料中形成垂直侧壁,如图1a所示。在另一方面,湿蚀刻剂通常是各向同性,这意味着蚀刻在各个方向都是均匀的,产生圆壁和削弱效果,如图1b所示。

 

KOH是一种液相蚀刻剂,在晶体平面上是各向异性的。因此,它对硅片的晶体取向很敏感,产生梯形截面腔,如图1c所示。KOH蚀刻的主要缺点之一是残留物的沉积,这是由蚀刻剂和被移出材料之间的相互作用所造成的: 是这项技术zui薄弱的一点。

 

图1: 生成的基体横截面示意图,(a) 各向异性的侵蚀,(b)一个完全各向同性的侵蚀,(c)一个湿蚀刻的各向异性腐蚀剂

 

实验结果

 

在zui近出版的一篇文章中,Han Lu et al. 描述了他们对用KOH 方法硅的单步各向异性湿蚀刻所制备两层微结构的研究。这可以通过在随后的KOH蚀刻中的残留物作为掩膜来实现。如图2所示,不同的微观结构可以用KOH蚀刻制作。(Micromachines 2016, 7, 19; doi:10.3390)

 

在a - b中,由KOH蚀刻制作的单层微金字塔,在c - d两层的微金字塔中,KOH蚀刻使用残留物作为第二掩膜层。在这两种情况下,硅片上都覆盖着二氧化硅层。这是由光学光刻技术,使用氢氟酸蚀刻产生的。二氧化硅层作为之后KOH蚀刻步骤的掩模。在图2的右侧,蚀刻步骤的残留物被用作制造两层微结构的掩模。

 

图2:  (a) 和 (b) 没有残留物作为第二蚀刻掩膜,(c )和(d)有第二蚀刻掩膜的制备工艺流程和SEM 成像

 

通过扫描电镜成像观察不同的微结构

 

通过调整一些蚀刻参数,例如时间(如图3所示的SEM图像)和KOH浓度(如图4所示),可以制作出不同形状的微结构。

 

在*种情况下,温度影响到微金字塔的高度和墙壁结构。通过改变浓度,微观结构的形状从正方形变为八角形,方角变为了圆形。

 

图3: 通过 SEM 对在不同时间段KOH 蚀刻用残馀层作为掩模的成像

 

图4: 通过SEM 图像了解不同浓度的 KOH蚀刻用残留层作为掩模

 

从图2、图3和图4中可以看出,扫描电镜 (SEM) 非常适合对微观结构进行成像。它有助于了解单个因素及其在整个蚀刻过程中的影响,从而有助于构建微结构的形状和尺寸。在范围内,SEM提供了一种强大的方法来获得视觉表征,并通过调整制造技术的参数 (在本例中是KOH蚀刻) ,来证明微结构的质量差异性。

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