（微电子学与固体电子学专业论文）硅微通道结构的制作工艺研究.pdf

华东师范大学硕士学位论文 摘要 微通道由于有其特殊的结构因而能够应用在很多领域，如微通道板，微全分 析系统，微型热传导器件以及微型化工设备等。近年来，由于硅微通道板在增益 提高以及图像分辨率改善具有传统中空玻璃纤维无可比拟的优势而倍受重视。电 化学刻蚀方法制作硅微通道技术是一种由宏多孔硅技术发展而来的，具有高深宽 比和成本低廉的优点。 本文在广泛调研相关文献的基础上对影响电化学深刻蚀制作硅微通道技术 的因素进行了深入的分析。对电化学刻蚀技术进行硅微通道制作的机理进行了详 尽的理论和实验探索。论文包括以下几个方面。 第一章首先介绍了微通道结构的应用，并从m e m s 技术入手介绍了硅微通道 制作的主要技术，介绍了硅的电化学深刻蚀技术的原理，发展和特点，以及本文 所开展的工作。 第二章则从多孔硅的形成原理出发，介绍了硅电化学刻蚀形成微通道的原理 以及本文研究所采取的具体技术。 第三章讨论了电化学刻蚀微通道结构的影响因素。微通道所有结构特征包括 孔径、孔壁平滑度、刻蚀深度、边缘分叉刻蚀情况等，会受到阳极氧化条件的影 响。这些条件包括h f 浓度、腐蚀电压电流、硅片存放时间、光照条件、环境温 度和外加磁场等。本文主要进行了n 型硅上述条件的研究。 第四章讨论了硅的微通道氧化，发现氧化过程中会在微通道中形成相互连接 的泡泡结构，分析认为：硅氧化后体积膨胀产生应力是这一现象产生的主要原因。 第五章初步研究了硅微通道的无掩膜制作技术的几个相关问题，如腐蚀孔在 硅表面随机形成机制。 第六章对全文进行总结，并对硅微通道技术进行了展望。 关键词： 微通道，电化学刻蚀，边缘效应，宏多孔硅，深刻蚀，硅氧化 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r 8 c t m i c r oc h a n n e ls t r u c t u r ee x h i b i t sn u m e r o u sp o s s i b l ea p p l i c a t i o n so n m i c r oc h a n n e lp 1 a t e ，m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m s ，m i c r oh e a te x c h a n g e d e v i c e ， a n dm i c r oc h e m i c a lr e a c t o re t c ， e s p e c i a l l yf o rs i l i c o nm i c r o c h a n n e l s i l i c o nm i c r oc h a n n e l t e c h n 0 1 0 9 yb a s e d o ne l e c t r o c h e m i c a l e t c h i n gp r o c e s sc o m e sf r o mm a c r op o r o u ss i l i c o nt e c h n o l o g y ta n dh a s t h e a d v a n t a g eo fh i g ha s p e c tr a t i oa c h i e v e m e n tb ye m p l o y i n gs i m p l ea n dl o w c o s te q u i p m e n t i nt h i sp a p e ri n v e s t i g a t i o no ft h ef a b r i c a t i o np r o c e s sf o rs i l i c o n m i c r oc h a n n e ls t r u c t u r ei sp r e s e n t e d c h a p t e r1i n t r o d u c e st h ep r i m a r ya p p l i c a t i o n so fm i c r oc h a n n e l s t r u c t u r e 。 f a b r i c a t i o nm e t h o d so fs i l i c o nm i c r oc h a n n e ls t a r t e dw i t h m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s ) ，a n d t h e p r o p e r t i e s ， b a s i c p r i n c i p l e sa n dd e v e l o p i n gp r o c e s so f s i l i c o ne l e c t r o e h e m i c a ld e e p e t c h i n gt e c h n i q u e t h ei i i a i nd i p l o m aw o r ki sa l s ob r i e f l yi n t r o d u c e d i nc h a p t e r2t h em e c h a n i s mo fe l e c t r o c h e m i c a ld e e pe t c h i n gp r o c e s s f o rs i l i c o nm i c r oc h a n n e li si n v e s t i g a t e d t h ed e t a i l sf o r t h ee x p e r i m e n t s o ft h i sp a p e ra r ep r e s e n t e d c h a p t e r3s t u d i e st h ei n f l u e n c eo ft h et e c h n o l o g i c a lp a r 硼e t e r st o t h ee l e c t r o c h e m i c a le t c h i n gp r o c e s sf o rnt y p es i l i c o nm i c r oc h a n n e l ， w h e r et h ec o n c e n t r a t i o no ft h e s 0 1 u t i o n s ， b i a s v o l t a g e ， b a c k s i d e i 1 1 u m i n a t i d n ，p r o c e s st e m p e r a t u r e ，m a g n e t i cf i e l da n dp r e s e r v a t i o n d u r a t i o no fs u b s t r a t eh a v eb e e ne x p l o r e dt ot h ep o r ed i 鲫e t e r ， e t c h i n g r a t e ，s u r f a c em o r p h 0 1 0 9 y ，s m o o t h n e s so fs i d ew a l la n db r a n c he t c h i n ge t c i nc h a p t e r4t h es o c a l l e db u b b l ee f f e c td u r i n gt h eo x i d a t i o no f s i l i c o nm i c r oc h a n n e li sd i s c u s s e d c h a p t e r5m a k e sp i l o ts t u d ya b o u te t c h i n ga tr a n d o mo nt h es i l i c o n s u r f a c eb ye l e c t r o c h e m i c a ld e e p e t c h i n gp r o c e s sw i t h o u t1 i t h o g r a p h p r o c e s s t h el a s tc h a p t e r ，c h a p t e r6 ，i st h es u 哪a r i z i n go ft h i sp a p e ra n dt h e p r o s p e c to fs i l i c o nm i c r oc h a n n e la p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e k e yw o r d 8 ： m i r c oc h a n n e l ，e l e c t r o c h e m i c a le t c h i n g ， b o u n d a r ye f f e c t ， m a c r o p o r o u ss i l i c o n ，d e e pe t c h i n g ， s i l i c o no x i d a t i o n 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：昱篮筮日期： 星q q 曼：墨 辎讯 扫譬小 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名：象磴嘶沁 导师签名：砂影盈 日期：丝! ：! ：! ： 日期； 乃彩巧7 ；。 华东师范大学硕士学位论文 1 1 微通道的简介 第一章微通道技术概述 微通道( m i c r oc h a n n e l ) ，顾名恩义，就是材料经过微细加工等方法制作处 理后形成的微型通道及其阵列的结构，其开口尺寸在微米级。图1 1 是一个硅微 通道细部放大结构，开口尺寸是2 um 2 u m 。图1 2 是硅微通道阵列图。 圈1 1 硅徽通道结构图1 2 硅徽通道阵列圈 1 2 微通道技术的应用 微通道有如此结构在很多领域有其独特的用途和功能。 利用已经形成的微通道结构可以产生电子倍增效应，如图1 3 所示。微通道 的内壁镀有高阻的二次发射材料，在它的两端施加电压后内壁出现电位梯度，在 真空中的一次电子轰击微通道的一端，发射出的二次电子因电场作用而轰击另一 处，再发射二次电子，这样通过多次发射二次电子，可获得超过1 0 倍的增益。 图1 3 微通道电子倍增效应示意图 华东师范大学硕士学位论文 山微通道制作的微通道板( m i c r o c h a n n e lp l a t e ，简称m c p ) 是由大量平 行堆积的单个微通道电子倍增器组成的薄板。微通道板作为一种二维电子图像倍 增器件，它对紫外线、x 射线及其它短波辐射均有响应，在微光夜视、高分辨显 像管和示波器、光电倍增管( p h o t o m u l t i p l i e rt u b e ，简称p m t ) 、图像光子计 数器以及粒子探测等领域有重要应用价值。 图1 4 是带有两个串联的m c p 光电倍增管的基本电路，在本图中，这是一个 近聚焦式的m c p 倍增管，光电阴极和第微通道板的间距约o 3 m ，级间电压 1 5 0 v ，第二微通道板和阳极的间距为l _ 5 彻，级问电压3 0 0 v ，外加偏压的变化只 改变微通道板上的电压，从而调节总的增益。 图1 4 两个串连的h c p 光电倍增管结构示意图 传统的微通道板主要用玻璃材料经过拉丝获得，九十年代初期，j r h o r t o n ，s m s h a n k 等人。川提出利用先进的半导体器件技术制造硅微通道板 的设想，做了大量工艺模拟实验，取得了一定进展。硅微通道板器件的诞生，进一 步提高了成像器件的质量，拓宽m c p 的应用领域。图1 5 为美国n a n o s c i e n c e s c o r p o r a t i o n 制作的硅微通道阵列”1 。 图1 5n a n o s c i e n c e sc o r p o r b t i o n 制作的硅徽通道阵列 华东师范大学硕士学位论文 1 2 2u _ t a s 微全分析系统( m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m s ， 简称u t a s “1 ) 是一 个跨学科的新领域，它是借助微机电加工( m e m s ) 技术与生物技术，来实现化学 分析系统从试样处理到检测的整体微型化、集成化与便携化的目的。u t a s 已 成为目前分析仪器发展的重要方向与前沿。 当前的微全分析系统可分为芯片式与非芯片式两大类。目前芯片式是发展重 点，其中依据芯片结构及工作机理又可分为两大类：即微阵列芯片( m i c r o a r r a y c h i p ) 和微流控芯片( m i c r o f l u i d i cc h i p ) 。微流控芯片则主要以分析化学和分 析生物化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微通道网络为结构特征，是当 前微全分析系统发展的重点，从结构上看，微通道是其关键部分。1 ，而集成毛细 管电泳芯片( i n t e g r a t e dc a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i sc h i p ，i c e ) 是随着一t a s 的提出和m e m s 的发展而出现的微量分析技术，即在硅、玻璃、塑料等基体上刻 蚀出1 0 l o o pm 量级的毛细管槽( 微通道) ，利用毛细管高压电泳分离，使毛细 管电泳( c a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s ，c e ) 的全过程在一块几平方厘米的基片上 完成。图1 6 是浙江大学研制的p c r ( p 0 1 y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ，聚合酶链 反应) 微通道结构( 局部) ”1 ，其中通道宽1 5 0 pm ，深2 5 m 。 圈l _ 6p c r 扩增芯片上的徽通道 分析芯片微通道的加工方法可以分为两大类：模板复制和直接制造。而且 与衬底材料( 硅，玻璃，塑料等) 密切相关。模板复制即先制作芯片的刚模或阴 模，利用注塑、压印等方法拷贝芯片；直接制造则为芯片的直接成型技术。常见 的模具制造方法有机械制模，电铸成型，l i g a 和准l i g a 技术，干法和湿法刻蚀技 术等。 另外值得一提的是，用微通道技术能够制作微针头，可以用于医学上无痛注 华东师范大学硕士学位论文 射和微量体液抽取，其用途具体为：以适当的速率透过皮肤或者其他的组织外壁 柬输送药物：提取或分析体液成分，同时不会对组织产生疼痛，损伤，刺激。 关于微针头的制作，目前已报道了许多方法，包括以下几方面：a ) 利用电镀 会属制作微针头，其所选材料如镍本身有很好的生物相容性和韧性，不会象硅材 料等容易破碎，形成碎片残留体内，危害健康。b ) 利用硅的微细加工形成中空结 构的针头，其中针尖大多数通过反应离子刻蚀获得，而中空结构通过深反应离子 刻蚀或阳极氧化多孔硅：c ) 利用在硅或光刻胶等材料上制作模具，在模具上淀积 电镀金属制作针头结构；d ) 利用高分子聚合物制作针头等等。 文献0 3 利用微电子工艺提出了一种新颖的硅微针头的技术，其制作示意图如 图1 7 所示，图1 - 8 是实际制作出的针头扫描电镜图片。这种带有微通道结构， 不仅可以用做微针头，还可以尝试作为冷却器，即在通道与通道之间填充某种导 热比较好的材料，在通道内注入冷却液体。 圈1 7 硅微针头制作示意图 图1 8 利用图1 7 的方法制作的微针头s 叫图 4 & w m 群曲帅 lm 憎咩蹦她- ) 神h h n 舢 氛剖 - 棚埘“妒舯 9 勘峨h - 岫r - 脚， i t o蹬 3 5= 一嗣 华东师范大学硕士学位论文 1 2 3 微型热传导器件 随着微电子器件特征尺寸的减小，集成度却高速递增，从而使得在这些器 件上产生了很高的热流密度，严重威胁其工作的可靠性。所以微电子器件的冷 却问题，早在2 0 世纪8 0 年代中期已成为国际微电子界和传热界的热点”3 。 微尺度相变传热能够去除很高的热流密度，因而得到了高度重视。微通道 单相对流换熟是去除高热流密度的有效方法之一，而且具有减小设备的复杂程 度，可减少噪音或无噪音，节省电能的优点，因而也得到了国际上的广泛关注， 对微通道中的流体流动和换热特性、几何形状尺寸等研究相当多，并有相应的产 品面市。i n t e l 公司2 0 0 4 年曾经向媒体展示了液冷l s i 芯片和封装技术 “m i c r o f l u i d i cc o o l i n g ”，其设计主要就是包含有微通道液体流动路线，通过 微通道内液体的流动将l s i 的热量集中部分，热点的热量带走。中国科学院广州 能源研究所研制了微通道自然循环电子冷却器，所用材料紫铜或铝，采用循环流 体两端密度差驱动工质的循环流动及微通道强化传热技术。 在微通道流体研究中，很多研究者都采用不锈钢、铜或者铝等导热较好的 材料制成的实验段来进行研究由于此类材料的实验段一般由常规加工方法制 成，加工精度较低，从而使得实验结果存在较大的不确定度。而采用m e m s 技术 加工硅基微通道，其通道的租糙度能控制在1pm 之内。随着m e m s 技术的发 展，人们制成了各种各样的硅基微系统，如微热沉、微生物芯片、微反应器及微 燃料电池等。而微通道常常集成在这些微系统中。微通道冷却器的冷却能力与其 通道的宽度成反比，受材质与加工能力的限制，常用的铜金属微通道冷却器的通 道尺寸只能做到2 0 0 um 左右，而硅微通道冷却器的槽道可以通过光刻工艺和各 向异性化学腐蚀的工艺做到1 0 1 0 0pm ，从而具有更强的冷却能力。 另外，在基于硅微机械加工技术，来制备微型m e m s 致冷器，包括利用帕尔贴 效应的半导体热电制冷器、利用铁磁材料体系的绝热去磁或磁热效应的铁磁致冷 器、利用铁电热释电材料体系的绝热去极化致冷效应的铁电致冷器微型化“”设计 中，可以尝试将微通道设计作为绝热结构。 1 2 4 微型化工设备 目前的微化工设备主要包括微混合器、微换热器和微反应器等，由于设备 特征尺度的微细化，与传统化工设备相比，微化工设备具有高传递速率、易于直 接放大、设备安全性高、易于控制、适应面广等优点，可实现过程连续和高度集 成、分散与柔性生产。由于微反应技术具有强的传热和传质能力，可大幅度提高 华东师范大学硕士学位论文 反应过程中的资源和能量的利用效率，减小过程系统的体积或提高单位体积的生 产能力，实现化工过程强化、微型化和绿色化。 微通道结构作为微型化工设备的基本结构，在微型化工设备中具有重要的 地位，其设计、制造与封装。以及微通道内催化剂工程设计以及微尺度系统内的 流动、传递现象、反应规律等等都是研究与应用的重点“”。 1 3 姬m s 技术在徼通道中的应用 1 3 1m e m s 介绍 微机电系统( m i c r o e l e c t r o e c h a n i c a ls y s t e s ，m e m s ) 是将微电子技术与 机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。m e m s 与通 常意义上集成电路有很大的不同，它不只是涉及单一的学科，m 踊s 技术是一种 典型的多学科交叉的前沿研究领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域， 如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。它 和不同的技术结合，往往便会产生一种新型的m 酬s 器件。 m e m s 所用的材料分为结构材料和功能材料两种。 ( 1 ) 结构材料：硅是用来制造集成电路的主要原材料。单晶体的硅遵守胡克 定律，几乎没有弹性滞后的现象，因此几乎不耗能，其运动特性非常可靠。此外 硅不易折断，因此非常可靠，其使用周期可以达到上兆次。在微电子工业中已经 有成熟的硅技术，因此，目前研制生产m e m s 的衬底材料仍然主要是硅，。但也有 公司使用石英玻璃、陶瓷、聚合物。使用的其他半导体材料还包括：s o i ( 硅在绝 缘体上) ：g a a s ，适合用于无线和数据通信：s i c ，适合高温部件：i n p ，适合高速度光 纤部件和高频率无线应用。 ( 2 ) 功能材料：有能量变换能力，可以实现敏感和致动功能，可应用在执行器 中。形状汜忆合金已经用在几个类型的m e m s 的执行器中，如微流量泵和阀。氧化 锌和p z t 等压电材料对m e m s 有极大的吸引力，因它有电和机械互相转换性能，即 加电到压电材料会使其变形，相反加应力会使其产生电压。磁致伸缩材料、光敏、 气敏、生物敏、电流变体等也是目前m e m s 所使用的重要的功能材料“”。 目前常用的m e m s 加工技术可以按以下几个方面分类： ( 1 ) 体微机械加工工艺：它是制造m e m s 的重要工艺，体加工就是通过对硅衬 底进行腐蚀得到在衬底内部所要求的结构，如悬空臂、沟、槽等。腐蚀方法可以 是湿法腐蚀或者是干法腐蚀( 等离子腐蚀) 。体微机械加工工艺的优点是获得的结 构几何尺寸较大，机械性能好，缺点是与集成电路工艺不易兼容。 6 华东师范大学硕士学位论文 ( 2 ) 表面微机械加工工艺：现在仍然是制造 【e m s 的重要工艺之一。表面微加 工是在硅片正面上形成薄膜并按一定要求对薄膜进行加工形成微结构的技术。薄 膜的加工一般采用光刻技术，如紫外线光刻、x 射线光刻、电子束光刻和离子束 光刻。通过光刻将设计好的微机械结构图转移到硅片上，再用等离子体腐蚀、反 应离子腐蚀等工艺来腐蚀多晶硅膜、氧化硅膜以及各种金属膜，以形成微机械结 构。这一技术避免了体微加工所要求的双面对准、背面腐蚀等问题，与集成电路 的工艺兼容。 ( 3 ) 第三代微机械加工技术：第三代微机械加工技术包括激光感应腐蚀和材 料淀积技术，电解刻蚀及电镀技术，超声和电子放电铣技术，i n kj e t t i n g 法，模压 法，浮调技术等。m e m s 设计师可以采用以上各种方法去加工m e m s 。另外圆晶片键 合和真空封装m e m s 技术也是m e m s 目前采用的重要的加工工艺，而l i g a 微机械加 工工艺由于需要昂贵的同步辐射x 射线源，且掩模制作工艺复杂，因此目前很难 推广。 在集成电路业，有标准的设计技术、标准的工艺技术和标准的封装技术。而 m e m s 却与集成电路大不相同。m e m s 采用特定方法设计，以适应其专有的制造工 艺。这就是迄今为止大多数m e m s 生产商一直白产自用的原因。目前全球大约有 2 5 0 家公司生产m e m s 器件。大多数生产m e m s 器件的公司，其m e m s 器件都是用 在自己的产品上。 1 3 2m e 船技术在微通道制作中的应用 1 3 2 1 湿法刻蚀技术 湿法刻蚀技术即采用液态腐蚀剂的湿法腐蚀工艺，适用于硅、玻璃、石英 等可被化学试剂腐蚀的基片。是历史最久的刻蚀技术，这得益于化学科学与技术 的发展，湿法刻蚀技术具有设备成本和操作本低的优点，并且刻蚀速率高，选择 性好，是科研生产常用的刻蚀手段。 对硅而言，根据腐蚀的速率与硅单晶面的关系，硅的湿法蚀刻工艺又可分 为：各向同性蚀刻和各向异性蚀刻。各向同性蚀刻各晶面的腐蚀速率相同，而各 向异性蚀刻在各个晶面上腐蚀的速率不同。各向同性蚀刻常用的腐蚀液为h n a 系 统，是一种由氢氟酸( h f ) 、硝酸( h n 0 3 ) 在水或醋酸( c h 。c o o h ) 中稀释的混 合液体。各向异性蚀刻剂均为碱性溶液“，常见的有：无机碱性蚀刻剂如氢氧化 钾( k o h ) ，四甲基氢氧化铵( t m a h ) ；有机酸性蚀刻剂如e p w 系统( 乙二胺，邻苯 二酚和水) ；还有联胺等。 各种蚀刻剂的蚀刻现象类似，但对不同的晶体取向的蚀刻速率不同。对k o h 华东师范大学硕士学位论文 溶液刻蚀硅而言，有文献“”指出，刻蚀速度最大和最小分别对应于( 4 1 1 ) 和( 1 1 1 ) 晶面，两者之间的刻蚀速率相差两个数量级。各向异性刻蚀就是利用了不同晶向 的刻蚀速率来制作各种有斜坡的结构，进而可以形成微通道、甚至硅杯等结构。 图8 是在 晶向硅衬底上，经过碱性刻蚀形成v 型微通道结构“”。 圈1 9 ( 1 1 0 ) 晶向硅经过碱性刻蚀形成v 型微通道结构 湿法深刻蚀技术( 又称宏多孔技术m a c r o p o r o u ss i l i c o nt e c h n o l o g y ) 为 硅微通道的制作提供了一个独特的方法。它的工作原理是利用多孔硅的阳极氧化 主要由空穴参与这一特点，利用m e m s 工艺，通过掩膜，定义阱或孔的位置，利用 硅的各向异性腐蚀，形成倒金字塔形凹坑，由于尖端放电的原因，凹坑的底部是 空穴密度最高的地方，因而也是腐蚀最容易发生的地方，空穴可以利用光照或电 注入等手段产生。通过该方法可以达到控制孔沿衬底的定向腐蚀。并且深宽比可 以达到1 5 0 以上。本文将重点研究这个方面的问题。 1 3 2 3 干法刻蚀技术 干法主要包括刻蚀反应离子刻蚀( r e a c t i o ni o ne t c h i n g ，r i e ) 、深反应离 子刻蚀( d e e pr e a c ti o ni o ne t c h i n g ，d r i e ) 和等离子体刻蚀( p l a s m ae t c h i n g ) ， 也有用离子束刻蚀( i o nb e a me t c h i n g ，i b e ) 的。前3 种是以化学反应为主的干 法刻蚀工艺，刻蚀气体分子在高频电场的作用下产生等离子体，等离子体中的自 由基化学性质非常活跃，利用它与被刻蚀基体之间的化学反应，达到刻蚀的目的， 而离子束刻蚀是一种物理过程。干法刻蚀适用于各向同性及各向异性刻蚀，侧壁 陡直的结构，可以形成微通道结构，其最大的缺点成本比湿法刻蚀高出许多，另 外，深宽比很难超过3 0 。 c n r i m e t e m 与s t m i c r o e l e c t r o n i c s 利用各向异性湿法腐蚀技术与等离子体刻 蚀技术、外延技术联合开发了一种在硅衬底上制作微通道的方法“”，其基本制作过 8 华东师范大学硕士学位论文 程如图1 1 0 所示，包括： ( 1 ) 利用干法腐蚀技术在 晶向的硅衬底上腐蚀出沟槽结构。 ( 2 ) 利用k o h 一类的各向异性腐蚀液腐蚀沟槽以形成通道结构。 ( 3 ) 利用外延工艺使通道顶端开口封闭。 图1 1 0 千法和湿法刻蚀结合制作徽通道的流程示意图 a ，干法刻蚀蚀形成沟槽b k 咖溶液腐蚀形成通道结构c 外延工艺封闭形成徽通道 1 3 2 4 牺牲层技术 在m e m s 中，所谓的牺牲层技术，即利用不同材料在同一种腐蚀液( 或腐蚀 气) 中腐蚀速率的差异，选择性地将结构图形与衬底之间的材料( 即牺牲层材料) 刻蚀去掉，进行结构的释放，形成空腔上膜或其他悬空结构，包括微通道结构。 牺牲层是m e m s 应用中的关键技术，已成为m e m s 技术研究领域中的一个热点。 值得一提的是，厚胶牺牲层技术，该技术源于v s l i 工艺，后用于m 酬s 和分析 芯片的制作，芯片制作还多限于s u 一8 胶的利用。s u 一8 胶是由i b m 推出的一种化学 增幅型负性光刻胶，在艇骼，虢0 e m s ( m i c r oo p t i ce l e c t r o ，m e c h a n i c a ls y s t e m ) 制造中得到较多应用。在微通道成型方面也有报道1 。其基本原理是在基片上：涂 敷一层s u 一8 胶，经烘曝光后形成微通道，在通道中添加牺牲层材料，然后再涂敷 第二层s u 一8 胶，曝光定型后去除中间的牺牲层，从而形成s u 一8 组成的封闭管道。 其技术关键是s u 一8 的处理，其固化后有相当大的内部应力，且很难从基片上剥 离。另外，由于管道尺寸小，溶解牺牲层的时间会很长。 1 3 2 。5l i g a 和准l i g a 技术 l i g a 工艺分为同步x 射线光刻、电铸成型、注塑3 个步骤。曝光过程采用同 步x 射线光刻，通常的光刻胶为p m 毗( 聚甲基丙烯酸甲酯) ，胶厚在几百微米左右。 9 华东师范大学硕士学位论文 曝光后，光刻胶上留有与掩模( 为x 射线曝光特制的光学掩模) 图形相同的平面几 何图形，再经过显影一沉积注塑等过程形成芯片的模板。该技术所加工的图形 不受材料特性和结晶方向的限制，可以制作深宽比 1 0 0 的微通道，尺寸精度达亚 微米级，且具有很高的垂直度、平彳亍度和重复精度，是一种很有前途的加工技术。 但同步x 光辐射的成本大，其掩模制作也不容易，因此在大批量的加工中常采用 子母模的方法。另外，用紫外线光刻代替同步x 射线光刻而发展为当前的准l i g a 技术，大大降低了成本。 1 4 硅电化学深刻蚀微通道的研究现状 电化学深刻蚀技术是由制备n 型宏多孔硅的阳极氧化技术发展起来的。多孔 硅是1 9 5 6 年u h l i r “8 1 在研究半导体材料电化学抛光时首次发现的。1 9 5 8 年 t u r n e r ”，开始研究多孔硅的形成机制。1 9 9 0 年英国科学家l t c a n h a m 。”发现多 孔硅具有在室温下高效率发射可见光的特性，并提出发光机制的量子限制效应模 型。从此，多孔硅引起了人们的广泛关注。 自1 9 9 0 年l e h m a n m 和盹1 l o ”在n 型硅一氢氟酸体系中发现高深宽比宏多孔阵 列结构以来，对于宏多孔的形成机理一直是学术界争论的焦点，比较成熟的理论 有l e m a n m 空阿电荷区域假设。2 3 和p o r p s t 等入的化学吸附和晶面取向解释”7 。 n 型宏多孔硅是目前被了解得最好的宏多孔硅。利用宏多孔硅技术可以制作 的孔结构具有非常高的深宽比，同时孔的侧壁是很光滑的，孔径从上到下是一致 的。l e h m a n n 等人认为。”，当阳极氧化时，如果n 型硅表面存在缺陷时，缺陷周围 的空闻电荷区就会发生弯曲从而使缺陷尖端处的电场得到加强。这时硅的溶解会 延着这些缺陷尖端进行而逐渐形成深孔。这些深孔可以达到高达2 5 0 的深宽比， 其深度甚虿可以达到硅片的厚度。 电化学深刻蚀技术的概念就是在这种宏多孔硅的制备方法的基础上发展出 来的。根据“空间电荷假设模型”l e h i l l a n n 及其同事提出：利用制造集成电路的 光刻技术在硅材料表面人为的制造一些缺陷，然后再进行阳极氧化，这样就能够 制造出一些具有高深宽比的结构。2 。“”1 。利用不同的缺陷可以制造多种高深宽比 的结构。如：微通道结构( 深孔阵列、深沟槽结构) 、叉指结构等。 1 9 9 9 年1 2 月，美国纳米科学公司( n a n o s c i e n c e sc o r 口o r a t i o n ) 发表了题为 制作微通道板的硅刻蚀工艺的专利，报导了在p 型硅上用电化学腐蚀技术制 作出了方孔边长为壁厚为2pm 、深度为2 0 0um 和方孔边长为7 i lm 、壁厚为1um ， 深度为3 0 0um 的微通道列阵。这一新方法工艺简单、造价低廉。这种加工技 术国内外处于研究阶段“1 ，国内例如长春理工大学。”对硅微通道板也开始了研 1 0 华东师范大学硕士学位论文 究。 1 5 本论文研究内容及所采用的技术路线简介 ( 1 ) 首先进行了大量背景文献资料调研，充分了解电化学深刻蚀技术的原 理及其研究进展。 ( 2 ) 电化学刻蚀平台的完善：系统组成包括腐蚀平台，电路部分和计算机 控制系统两部分：腐蚀平台部分包括腐蚀槽，样品夹具。电极以及光源及支架， 整个腐蚀部分置于有机玻璃支架上。电路部分包括低压稳压电源，驱动光源用电 源以及用于电流电压测量的采样电路。计算机系统包括p c 机、数据采集卡和用 于工艺控制的软件。 ( 3 ) 宏多孔硅工艺的实施包括以下几个步骤：掩膜( 若采用低应力氮化硅需 在阳极氧化前采用反应离子刻蚀去除背面的s i 。n 。) 专光刻定义待腐蚀的窗口 反应离子刻蚀k o h 或t m a h 腐蚀制作倒金字塔结构光辅助电化学深刻蚀。其 中掩膜及光刻将利用代工在集成电路工艺线上进行。无掩膜的微通道制作，将省 去上述掩膜和光刻步骤，直接在衬底上进行电化学。 本论文研究所使用的样品，前端工艺在荷兰d e l f t 技术大学完成。 ( 4 ) 研究了不同微通道制作实验条件包括磁场、腐蚀液浓度、腐蚀电流腐 蚀电压、环境温度、光照条件、存放时间对于腐蚀结构的影响。腐蚀的结果采用 采用电子扫描电镜等手段研究。 ( 5 ) 研究了微通道氧化b u b b l e 效应，分析了氧化条件对b u b b l e 效应的影 响。 ( 6 ) 研究了无掩膜微通道刻蚀( 随机刻蚀) 。 1 6 本文研究的重要意义 能够进行硅的深刻蚀的主要设备是深反应离子刻蚀( d r i e ：d e e pr e a c t iv c i o ne t c h i n g ) 装置，又称等离予体耦合反应离子刻蚀。但是，深反应离予刻蚀设 备非常昂贵。因此，只有一些资金比较雄厚的单位才可能购买这一类设备，并且 其维护和使用的费用也非常高。另外，由于诸如掩膜层等诸多因素的限制，从技 术层面上讲，深宽比要想突破3 0 已经是非常困难。这就是说，想在硅片上刻蚀 阱宽为2 微米，深6 0 微米的结构，采用d r i e 几乎是难以想象的。显然，这成为 进一步开发硅微通道的瓶颈，同时也使得一些m e m s 结构的制作受到了限制。以 微通道板( m c p ) 为例，从微通道电子倍增的原理可以看出，在电子的行进过程 中能够进行的碰撞越多，则可能产生的二次电子数越高，因而电子的倍增系数就 华东师范大学硕士学位论文 越大。显然高深宽比的微通道是实现这一目的，提高硅微通道板增益的关键。 而湿法深刻蚀技术( 称宏多孔硅技术m a c r op o r o u ss 订i c o nt e c h n o l o g y ) 有可 能解决这一问题。这种电化学深刻蚀技术为硅微通道制作提供了一条新的途径。 o h j i 等人“认为利用这种电化学深刻蚀技术可以在硅衬底上制作多种m e m s 器件，如：加速度传感器和陀螺仪。同时，电化学深刻蚀技术也被研究用于三维 微系统集成的穿过硅片的互联口0 1 ，红外滤波器。“，二维光子晶体制造。”和微机械 系统。”1 ，还有微针头、p n 结阵列、微型燃料电池等结构。与d r i e 技术相比，该 方法具有设备投资少，因为其主要装置可由多孔硅的制作装置发展而来，使用灵 活，运行费用低，可以达到很高的深宽比。因此，该方法受到高度重视，例如日 本三菱等许多公司已经投入大量资金进行该技术的开发，欧洲的荷兰、德国等正 在开展相关项目的研究工作。 本章参考文献 1 f m u l l e r ， a b i r n e r ，j s c h i l l i n g ， a 一p l i ， k n i e l s c h ， u g o s e l e ，v l e h m a n n ，“h i g ha s p e c tr a t i om i c r o s t r u c t u r e sb a s e do 九 a n is o t r o p i cp o r o u sm a t e r i a l s ”，m i c r o s y s t e mt e c h n o l o g i e s8 ( 2 0 0 2 ) 7 9 2 jrh o r t o n ，gwt a s k e r ，jjf i j 0 1 “c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n s o fa d v a n c e dt e c h n o l o g ym i c r o c h a n n e lp l a t e s ”p r o c s p i e c ， 1 9 9 0 1 3 0 6 ：1 6 9 一1 7 8 3 sms h a n k ， js o a v e ，e ta 1 f a b r i c a t i o no fh i g ha s p e c tr a t i o s t r u c t u r e sf o rm i c r o c h a n n e lp l a t e s j j v a c s c i t e c h n 0 1 ， 1 9 9 5 b 1 3 ( 6 )：2 7 3 6 2 7 4 0 4 c h a r l e sp b e e t z ，e ta 1 s i l i c o n m i c r o m a c h i n e dm i c r o c h a n n e lp l a t e s ， n u c l e a ri n s t r u m e n t sa n dm e t h o d si np h y s i c sr e s e a r c ha4 4 2 ( 2 0 0 0 ) 4 4 3 4 5 1 1 5 m a n za ，g r a b e rn ，w i d m e rhm s e n s o r sa c t u a t o r sb ，1 9 9 0 ，1 ：2 4 4 6 s a n t e r it u o m i k o s k i ， s a j n if r a n s s i l a ， “f r e e s t a n d i n gs u 一8 m i c r o f l u i d i cc h i p sb ya d h e s i v eb o n d i n ga n dr e l e a s ee t c h i n g ”，s e n s o r sa n d a c t u a t o r sa1 2 0 ( 2 0 0 5 ) 4 0 8 4 1 5 7 方肇伦，“关于在我国发展微全分析系统的建议”，分析仪器，2 0 0 1 年，第2 期，p 1 3 。 8 a r o d r i g u e z ，d m o l i n e r o ，e v a l e r a ，t t r i f o n o v ，l f m a r s a l ，j p a l l a r e s a n dr a 1 c u b i l l a ，“f a b r i c a t i o no fs i l i c o no x i d em i c r o n e e d l e s f r o mm a c r o d o r o u ss i l i c o n ”s e n s o r sa n da c t u a t o r sb1 0 9 ( 2 0 0 5 ) 1 3 5 1 4 0 华东师范大学硕士学位论文 9 g u oz y “h o ti s s u e si ni n t e r n a t i o n a lh e a tt r a n s f e ra tp r e s e n t c o o l i n g o fm i c r oe l e c t r o n i cc o m p o n e n t s ”b u l l e t i no fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a ， 1 9 8 8 ，( 2 ) ： 1 0 刘少波，李艳秋，刘梅冬，曾亦， 与声光，2 0 0 5 年2 月，第2 7 卷第1 期。 2 0 一2 5 “微型m e m s 致冷器的研究新动向”，压电 1 1 w 埃尔赞尔德 德 ，微反应器一现代化学中的新技术，化学工业出版社 2 0 0 4 年出版 1 2 王亚珍，朱文坚，“微机电系统( m e m s ) 技术及发展趋势”，机械设计与研究， 2 0 0 4 年2 月，第2 0 卷第l 期 1 3 h s e i d e l ，l c s e p r e g i ，a h e u b e r g e r ，h b a u m g a r t e l ，“a n i s o t r o p i c e t c h i n go fc r y s t a l l i n es i l i c o ni na l k a l i n es 0 1 u t i o n s ”，j e 1 e c t r o c h e m s o c 1 3 7 ( 1 1 ) ( 1 9 9 0 ) 3 6 1 2 3 6 3 2 1 4 s e i d e lh ，c s e p r e g il ，e ta l ，“a n i s o t r o p i ce t c h i n go fc r y s t a l l i n e s i l i c o ni na l k a l i n es o l u t i o n s 一0 r i e n t a t i o nd e p e n d e n c ea n db e h a v i o ro f p a s s i v a t i o nl a y s ”，je 1 e