专利名称：一种电化学方法制作硅微通道过程中在微通道结构与衬底之间产生断层的方法
技术领域：
本发明涉及一种硅微通道结构制作的过程控制方法，具体涉及一 种电化学方法制作硅微通道过程中在微通道结构与衬底之间产生断层的方法，属于微机电系统技术(MEMS)领域。
技术背景在硅微通道板的电化学制作过程中，我们在前一专利(申请号 200710037961. X)中发现在腐蚀后期采用大电流，在一定条件下，阳极氧化能够使意形成的多孔硅层与硅衬底实现自分离，并提出了可以 利用此现象制作硅微通道。然而，由此方法制作的微通道的背面的平 整性往往难以得到保证，本发明通过改进电化学工艺过程，可以在微 通道层与硅之间形成平直的断层，这个断层将有利于极大地提高自分 离法制备硅微通道板质量。通过细致分析硅地电化学刻蚀机制可以发现，硅地电化学刻蚀过 程强烈依赖于氟离子浓度，在比较高地浓度下，将主要为微多孔硅腐 蚀模式，这样显然对微通道板地制作不利，而制作硅微通道板所使用 地F离子浓度一般在1.5~4 mo1/1。当浓度非常低的时候，电化学腐蚀将不会往深度腐蚀，而是横向抛光，因此适时控制，使微通道与
硅衬底的界面的F离子浓度低于一定浓度，若此时的腐蚀电流比较 大，将造成很强的横向腐蚀，从而在微通道层与衬底之间形成断层。发明内容本发明提供 一种电化学方法制作硅微通道过程中在微通道结构 与衬底之间产生断层的方法，从而可以有目的地利用自分离制作方 法，控制微通道样品的厚度。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。一种电化学方法制作硅微通道过程中在微通道结构与衬底之间 产生断层的方法，其制作步骤为a) 硅片一般选取p-型(100)晶向硅片，也可以使用n-型(100) 晶向硅片，电阻率1 30欧姆.厘米；b) 釆用热氧化方法制作Si02 (二氧化硅)、Si3N4 (氮化硅)或其他材料作为掩模层；c) 利用光刻的办法，先定义孔的位置，对于釆用Si02作为掩模 的硅片，直接使用BOE (buffered oxide etcher)进行腐蚀打开硅窗 口，去除光刻胶并清洗后，再采用25wt% TMAOH (四甲基氢氧化铵) 在85。C或20y。 KOH在70 - 80。C条件下进行预腐蚀，当孔呈倒金字 塔结构时停止腐蚀；随后进行电化学深刻蚀。d) 电化学阳极氧化，阳极使用浓度控制在2~5mol/l的氢氟酸 与DMF或酒精的混合液，混合体积比为l: 1。e) 当刻蚀过程达到所需深度的时候，调节F离子浓度降低到1.5 mol/1以下，刻蚀电流大于IO mA/cm2，可以在界面附近产生较强的横 向刻蚀，从而形成断层。步骤b)中，对于p-型硅片釆用Si02作为掩模，对于n-型硅片 使用Si^作为掩模；步骤d)中，对于p-型硅片，用制得的氢氟酸与DMF按体积比1: l混合，对于n-型硅片，用制得的氢氟酸与酒精按体积比1: l混合； 其中阳极的温度为0~25°C, —般为室温。步骤c)中，在电化学刻蚀过程，阳极氧化过程需要背面光照来 控制电流大小。步骤e)中的F离子浓度通过稀释或停止循环让其自然消耗，直 至F离子浓度为1.5 mol/1以下。本发明通过控制改变所腐蚀的微通道与硅衬底界面的氟离子浓 度，使其工作在横向抛光状态。浓度控制在低于l.5 mo1/1。另外， 所制作的微通道结构的面积比大于等于50%效果更加明显、良好。本发明可以利用现有切割手段(如激光)，直接切割表面层(正 面)而获得微通道，而无需将硅衬底完全切开。这种断层表面平整，可以有效保证硅微通道板的表面质量。本发明的意义在于，利用产生断层的时机的控制，还可以有效控 制所制作的硅微通道板的厚度，无需进行可能造成微通道板损坏的减 薄和抛光，提高成品率。
图1为本发明的微通道结构与衬底之间产生断层时的剖面扫描 电镜照片。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。实施例1,制作微光夜视图像增强器用硅微通道板1、 选取(100)晶向的p型硅片，电阻率2~5欧姆/厘米；2、 采用热氧化形成二氧化硅(Si02)作为掩模；3、 光刻定义好窗口 (3jamx3iam孑L6ymx6nm排列)阵列后， 取出清洗；使用缓冲氢氟酸(B0E)，在37。C的条件下腐蚀2分钟； 再使用四甲基氢氧化铵(TMAH 25wt%6)80°C)处理1分钟；4、 用去离子水冲洗烘干，再用40%的HF和水配成4mo1/1的溶 液，再和四甲基甲酰胺(DMF)按1: l的比例混和，加入活性剂后，加 入盐酸(HC1)，调节PH到2,所得的混合溶液作为阳极氧化溶液， 腐蚀液在阳极氧化过程中通过外循环系统进行循环，对经过处理后的 硅片进行阳极氧化，阳极氧化在20。C中进行，腐蚀20小时；5、 控制阳极氧化微通道与硅界面腐蚀液中氟离子浓度使其降到 1 mo1/1,停止腐蚀液循环，腐蚀2小时。断层已形成，利用熔融法，在60(TC温度下向孔中填CsI(Tl),可以制作高分辨x-光成像板。实施例2:1、选取与(100)晶向成7度的p型硅片，电阻率2 9欧姆/
厘米；2、 采用热氧化形成二氧化硅(Si02)作为掩模；3、 光刻定义好窗口 ( 3|amx 3 n m孑L 6 p m x 6 n m排列)阵列后， 取出清洗；使用缓冲氢氟酸(BOE),在37匸的条件下腐蚀2分钟； 再使用四甲基氢氧化铵(TMAH 25wt%980°C)处理1分钟；4、 用去离子水冲洗烘干，再用40°/。的HF和水配成2 mol/1的 溶液，再和四甲基甲酰胺(DMF)按1: l的比例混和，加入活性剂后， 加入盐酸(HC1)，调节PH到2，所得的混合溶液作为阳极氧化溶液, 腐蚀液在阳极氧化过程中通过外循环系统进行循环，对经过处理后的 硅片进行阳极氧化，阳极氧化在23'C中进行，腐蚀24小时。5、 控制阳极氧化微通道与硅界面腐蚀液中氟离子浓度使其降到 1 mol/l，停止腐蚀液循环，腐蚀2小时。断层已经形成，利用热氧化形成0.5微米以上厚度的绝缘层，采 用LPCVD淀积多晶硅，80 - 100 nm,并在多晶硅上形成5 nra的电子发 射层(如Si02、 Si3N4、金刚石等等)，则硅基微通道板芯片制作成功。 利用激光切割，可以获得需要的器件尺寸。实施例3，制作微型二维光栅1、 选取(100)晶向的n型硅片，电阻率2~5欧姆/厘米；2、 釆用LPCVD制作低应力氮化硅作为掩模，厚度500 nm;3、 光亥寸定义好窗口 (3pmx3jLim孑L6iLimx6jara排歹iJ)阵歹寸后，釆用反应离子刻蚀打开硅敞口，去胶清洗；再使用四甲基氢氧化铵 (TMAH 25wt%a80°C )处理1分钟；4、 用去离子水冲洗烘干，再用40%的HF和水配成4mo1/1的溶 液，再和无水乙醇按l: l的比例混和，加入活性剂后，所得的混合溶 液作为阳极氧化溶液，腐蚀液在阳极氧化过程中通过外循环系统进行 循环，对经过处理后的硅片进行阳极氧化，阳极氧化在2(TC中进行, 20小时，电流5 - 9mA/cm2;5、 控制阳极氧化微通道与硅界面腐蚀液中氟离子浓度使其降到 1 mol/1,停止腐蚀液循环。加大电流至15mA/cm2,，腐蚀2小时。断层已形成。切割，可用作二维光栅。
权利要求
1、一种电化学方法制作硅微通道过程中在微通道结构与衬底之间产生断层的方法，其制作步骤为a)硅片一般选取p-型(100)晶向硅片，也可以使用n-型(100)晶向硅片，电阻率1～30欧姆·厘米；b)采用热氧化方法制作SiO2(二氧化硅)、Si3N4(氮化硅)或其他材料作为掩模层；c)利用光刻的办法，先定义孔的位置，对于采用SiO2作为掩模的硅片，直接使用BOE进行腐蚀打开硅窗口，去除光刻胶并清洗后，再采用TMAOH或KOH在一定温度下进行预腐蚀，当孔呈倒金字塔结构时停止腐蚀；随后进行电化学深刻蚀。d)电化学阳极氧化，阳极采用浓度控制在2到5mol/l的氢氟酸与DMF或酒精的混合液，混合体积比为1∶1。e)当刻蚀过程达到实验所需要的深度的时候，通过稀释或让其自然耗尽，使F离子浓度降低到1.5mol/l以下，刻蚀电流大于10mA/cm2，可以在界面附近产生较强的横向刻蚀，从而形成断层。
2、 根据权利要求1所述的一种电化学方法制作硅微通道过程中 在微通道结构与衬底之间产生断层的方法，其特征在于步骤b)中， 对于p-型硅片釆用Si02作为掩模，对于n-型硅片使用Si孔作为掩模;
3、 根据权利要求1所述的一种电化学方法制作硅微通道过程中 在微通道结构与衬底之间产生断层的方法，其特征在于步骤d)中， 对于p-型硅片，用制得的氢氟酸与DMF按体积比1: l混合，对于n- 型硅片，用制得的氢氟酸与酒精按体积比1: l混合。
4、 根据权利要求1所述的一种电化学方法制作硅微通道过程中在微通道结构与衬底之间产生断层的方法，其特征在于步骤c)中，在电化学刻蚀过程，阳极氧化过程需要背面光照来控制电流大小。
5、 根据权利要求1所述的一种电化学方法制作硅微通道过程中 在微通道结构与衬底之间产生断层的方法，其特征在于所述方法适 用于制作的微通道结构的面积比大于等于50%。
6、 根据权利要求1所述的一种电化学方法制作硅微通道过程中 在微通道结构与衬底之间产生断层的方法，其特征在于步骤e)所 获得的产品釆用激光切割方法，直接获得所需要尺寸微通道芯片。
7、 根据权利要求书6所述的一种电化学方法制作硅微通道过程 中在微通道结构与衬底之间产生断层的方法，其特征在于所釆用的 切割是在正面进行，只切割表面微通道层而无需将衬底切透。
全文摘要
本发明公开了一种电化学方法制作硅微通道过程中在微通道结构与衬底之间产生断层的方法，其制作步骤为a)选取晶向硅片；b)制作掩模层；c)利用光刻的办法，先定义孔的位置；d)电化学阳极氧化，阳极使用浓度控制在2～5mol/l的氢氟酸与DMF或酒精的混合液，混合体积比为1∶1；e)调节F离子浓度，刻蚀电流大于10mA/cm<sup>2</sup>，可以在界面附近产生较强的横向刻蚀，从而形成断层。本发明的意义在于，利用产生断层的时机的控制，还可以有效控制所制作的硅微通道板的厚度，无需进行可能造成微通道板损坏的减薄和抛光，提高成品率。
文档编号B81B1/00GK101117206SQ200710044569
公开日2008年2月6日 申请日期2007年8月3日 优先权日2007年8月3日
发明者徐少辉, 林继磊, 振 王, 王连卫, 陈晓明 申请人:上海交大学子科技创业有限公司;华东师范大学