基于金属辅助化学腐蚀的大高宽比硅纳米结构制备
发布时间：2020-12-14 18:49
为了获得大高宽比的硅纳米结构,结合电子束光刻和等离子刻蚀方法制备厚度为5 nm/20 nm的Ti/Au微纳结构,然后以氢氟酸、去离子水和双氧水作为腐蚀液,利用各向异性金属辅助化学腐蚀制备大高宽比硅纳米结构,并进行了实验验证。研究了双氧水的浓度和腐蚀温度对硅纳米结构形貌的影响,分析了大高宽比硅纳米结构的金属辅助化学腐蚀机理。实验结果表明:在较低的双氧水浓度和较低的腐蚀温度下,可以形成侧壁陡直、光滑的大高宽比硅纳米结构,在纳米光栅结构和阵列结构的X射线掩模制造中显示出其优越性。基于氢氟酸、去离子水和双氧水的浓度分别为4.8、50和0.12 mol/L的腐蚀液,在2℃下进行金属辅助化学腐蚀,得到了高度为4.2μm的300 nm特征尺寸的硅纳米柱结构,对应高宽比为14∶1。
【文章来源】：微纳电子技术. 2020年12期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
工艺流程图
图2显示了不同H2O2浓度下刻蚀的硅纳米结构的扫描电子显微镜（SEM）图。HF和去离子水浓度分别固定在4.8和50 mol/L，典型的H2O2浓度分别为0.12、0.3和0.6 mol/L。由图2可以看出，横向刻蚀程度和纵向刻蚀程度都随着H2O2浓度的增加而增加。当H2O2浓度达到0.3 mol/L时，侧壁开始出现针孔，针孔的密度随着H2O2浓度的增加而增大，同时图2 (b）还显示，阵列结构表面粗糙度比较大。这可以用金辅助腐蚀过程的反应机理来解释，由式（1）可知，生成的空穴数量随着H2O2浓度的增加而增加，从而导致硅的纵向刻蚀速率增加。然而当H2O2浓度达到0.6 mol/L时，如图2 (c）所示，产生的空穴不能在硅和Ti/Au的界面完全被消耗，这些多余的空穴会在横向方向扩散，导致横向刻蚀增强。因此，为了能够得到光滑垂直的硅结构，限制H2O2在腐蚀液中的浓度非常重要。为此这里选择的H2O2浓度为0.12 mol/L，主要原因是一方面可以限制横向方向硅的腐蚀，另一方面可以适当兼顾垂直方向的刻蚀速率，从而得到垂直的硅纳米结构。2.3 腐蚀温度对MacEtch工艺的影响
温度对刻蚀速率的影响也非常大。受到实验条件的限制，选择了两个典型的温度，常温22℃和低温2℃，得到的硅纳米结构形貌的SEM图如图3所示。相同的两个样品，Ti/Au结构特征线宽300 nm，周期600 nm，同时放入常温（22℃）腐蚀液和低温（2℃）腐蚀液中，腐蚀液完全相同，HF、去离子水和H2O2浓度分别为4.8、50和0.12 mol/L。可以看出，在常温腐蚀液中，纵向和横向的腐蚀速率都会增大。在4 min内，常温MacEtch获取的纳米柱腐蚀深度为5.73μm，如图3 (a）所示。图3 (b）为低温MacEtch获取的纳米柱顶部结构SEM图。为了更清楚地显示纳米柱的高宽比，SEM测试采用30°倾斜角度观测纳米柱截面，腐蚀深度为4.2μm，对应的高宽比为14∶1，如图3 (c）所示，可看出阵列结构表面粗糙度有显著改善。由于纳米柱之间间隙和纳米柱边长一样，因此SEM图显示纳米粒呈现片状。刻蚀速率随着温度的增大主要有两个因素：第一个是金属半导体接触中空穴的注入速率随着温度的升高而增加，从而导致刻蚀速率的增加；第二个是硅材料在腐蚀液中化学反应的速度也会随着温度的增加而增大，这两个因素共同作用导致刻蚀速率随着温度升高而增大。但由于腐蚀速度过快，产生气体速度过快，导致金结构在反应过程中不能与硅同时接触，因此在结构底部产生不平整的现象。3 结论
【参考文献】：
期刊论文
[1]大高宽比纳米硅立柱的感应耦合等离子体刻蚀工艺优化[J]. 李欣,刘建朋,陈烁,张思超,邓彪,肖体乔,孙艳,陈宜方. 强激光与粒子束. 2017(07)
[2]硅微通道阵列光电化学腐蚀中通道尺寸控制技术[J]. 王国政,熊峥,王蓟,秦旭磊,付申成,王洋,端木庆铎. 长春理工大学学报(自然科学版). 2010(03)
[3]高分辨率X射线衍射光学元件(英文)[J]. Alexei Erko,Alexander Firsov. 光学精密工程. 2007(12)
本文编号：2916844
【文章来源】：微纳电子技术. 2020年12期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
工艺流程图
图2显示了不同H2O2浓度下刻蚀的硅纳米结构的扫描电子显微镜（SEM）图。HF和去离子水浓度分别固定在4.8和50 mol/L，典型的H2O2浓度分别为0.12、0.3和0.6 mol/L。由图2可以看出，横向刻蚀程度和纵向刻蚀程度都随着H2O2浓度的增加而增加。当H2O2浓度达到0.3 mol/L时，侧壁开始出现针孔，针孔的密度随着H2O2浓度的增加而增大，同时图2 (b）还显示，阵列结构表面粗糙度比较大。这可以用金辅助腐蚀过程的反应机理来解释，由式（1）可知，生成的空穴数量随着H2O2浓度的增加而增加，从而导致硅的纵向刻蚀速率增加。然而当H2O2浓度达到0.6 mol/L时，如图2 (c）所示，产生的空穴不能在硅和Ti/Au的界面完全被消耗，这些多余的空穴会在横向方向扩散，导致横向刻蚀增强。因此，为了能够得到光滑垂直的硅结构，限制H2O2在腐蚀液中的浓度非常重要。为此这里选择的H2O2浓度为0.12 mol/L，主要原因是一方面可以限制横向方向硅的腐蚀，另一方面可以适当兼顾垂直方向的刻蚀速率，从而得到垂直的硅纳米结构。2.3 腐蚀温度对MacEtch工艺的影响
温度对刻蚀速率的影响也非常大。受到实验条件的限制，选择了两个典型的温度，常温22℃和低温2℃，得到的硅纳米结构形貌的SEM图如图3所示。相同的两个样品，Ti/Au结构特征线宽300 nm，周期600 nm，同时放入常温（22℃）腐蚀液和低温（2℃）腐蚀液中，腐蚀液完全相同，HF、去离子水和H2O2浓度分别为4.8、50和0.12 mol/L。可以看出，在常温腐蚀液中，纵向和横向的腐蚀速率都会增大。在4 min内，常温MacEtch获取的纳米柱腐蚀深度为5.73μm，如图3 (a）所示。图3 (b）为低温MacEtch获取的纳米柱顶部结构SEM图。为了更清楚地显示纳米柱的高宽比，SEM测试采用30°倾斜角度观测纳米柱截面，腐蚀深度为4.2μm，对应的高宽比为14∶1，如图3 (c）所示，可看出阵列结构表面粗糙度有显著改善。由于纳米柱之间间隙和纳米柱边长一样，因此SEM图显示纳米粒呈现片状。刻蚀速率随着温度的增大主要有两个因素：第一个是金属半导体接触中空穴的注入速率随着温度的升高而增加，从而导致刻蚀速率的增加；第二个是硅材料在腐蚀液中化学反应的速度也会随着温度的增加而增大，这两个因素共同作用导致刻蚀速率随着温度升高而增大。但由于腐蚀速度过快，产生气体速度过快，导致金结构在反应过程中不能与硅同时接触，因此在结构底部产生不平整的现象。3 结论
【参考文献】：
期刊论文
[1]大高宽比纳米硅立柱的感应耦合等离子体刻蚀工艺优化[J]. 李欣,刘建朋,陈烁,张思超,邓彪,肖体乔,孙艳,陈宜方. 强激光与粒子束. 2017(07)
[2]硅微通道阵列光电化学腐蚀中通道尺寸控制技术[J]. 王国政,熊峥,王蓟,秦旭磊,付申成,王洋,端木庆铎. 长春理工大学学报(自然科学版). 2010(03)
[3]高分辨率X射线衍射光学元件(英文)[J]. Alexei Erko,Alexander Firsov. 光学精密工程. 2007(12)
本文编号：2916844
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