光辅助多孔硅电化学腐蚀槽

摘要

本发明提供了一种光辅助多孔硅电化学腐蚀槽，包括：槽体；位于所述槽体内的用以固定待腐蚀硅片的固定架；位于所述槽体内的电极，所述电极包括阴极电极及阳极电极，所述阴极电极及阳极电极分别位于所述固定架两侧；及位于所述槽体内的光辅助结构，所述光辅助结构位于所述固定架及阴极电极之间，用以向所述待腐蚀硅片提供光照，所述光辅助结构的光源密封于透明聚碳酸酯PC塑料内，并具有槽栅结构以利于腐蚀液流动。当进行双槽电化学腐蚀工艺时，通过位于槽体内且位于阴极电极及一待腐蚀硅片之间的光辅助结构，近距离地、直接地照射待腐蚀硅片，从而有效地在待腐蚀硅片中形成一定浓度的空穴，进而保证双槽电化学腐蚀工艺的质量及效率。

说明书

技术领域

本发明涉及微电子机械设备技术领域，特别涉及一种光辅助多孔硅电化学 腐蚀槽。

背景技术

随着微电子机械系统(MEMS)的不断发展，多孔硅材料以其良好的机械性能 及热学性能在MEMS中显示出极广阔的应用前景。首先，基于多孔硅材料的膜 层可以制备得很厚，可在MEMS中替代SiO2等材料作为牺牲层，使得采用体 微机械技术加工微结构时无需双面光刻即可快速释放微结构，同时在表面微机 械技术中可很好的解决结构层与基底间距离太小的问题；其次，由于多孔硅具 有远低于硅基体的热导率(可低至1W/mK)，因此在微热敏传感系统中采用多 孔硅作为绝热层可以获得快速的温度变化响应和低的热损耗，同时也避免了传 统微热敏系统所采用的悬台热隔离结构由于牺牲层厚度小而易粘连的缺点，大 大提高了系统的稳定性和可靠性；第三，利用多孔硅高温工艺条件下硅原子发 生位置迁移的特性，可以制作新颖的MEMS压力传感器的压力腔；第四，多孔 硅技术和标准集成电路硅技术相容。正是因为具有上述结构特点以及由此表现 出的各种特殊性能，加之其技术上的优势，多孔硅及其技术得到了广泛的重视 和研究。

目前，制备多孔硅采用最广的是电化学腐蚀工艺，电化学腐蚀工艺主要分 为单槽和双槽电化学腐蚀工艺。其中，单槽电化学腐蚀工艺主要应用于待腐蚀 硅片背面带金属层，利用待腐蚀硅片背面金属作为电极阳极，对待腐蚀硅片正 面进行电化学腐蚀。双槽电化学腐蚀工艺用于待腐蚀硅片背面不带金属层的多 孔硅腐蚀。

请参考图1，其为现有的多孔硅电化学腐蚀槽的结构示意图。如图1所示， 多孔硅电化学腐蚀槽包括：槽体104；位于所述槽体104内的固定架，所述固定 架包括第一固定架107及位于所述第一固定架下方的第二固定架106；位于所述 槽体104内的电极，所述电极包括阴极电极101及阳极电极102，所述阴极电极 101及阳极电极102分别位于所述固定架两侧，所述阴极电极101及阳极电极 102由金属铂制成。

当利用该多孔硅电化学腐蚀槽对待腐蚀硅片进行腐蚀工艺以形成多孔硅 时，向所属槽体104内注入腐蚀液105，将待腐蚀硅片103置于槽体104内，具 体的，通过第一固定架107及第二固定架106予以固定。此时，槽体104被待 腐蚀硅片103分成两个“半槽”，分别为导引槽109及腐蚀槽108，所述导引槽 109及腐蚀槽108仅通过待腐蚀硅片103实现电导通，其它部分相互绝缘，该两 个“半槽”双槽电化学腐蚀工艺中的双槽。给电极施加电压后，由于电场的作 用，电流通过待腐蚀硅片103从导引槽109流向腐蚀槽108，待腐蚀硅片103中 的空穴就会流向靠近阴极电极101的待腐蚀硅片103表面，使该表面的待腐蚀 硅片103发生电化学腐蚀；而另一面则不发生反应，最终便可形成多孔硅。

该双槽电化学腐蚀工艺的原理在于：双槽电化学腐蚀多孔硅技术是将待腐 蚀硅片做阳极，在外加电场作用的情况下，电流通过待腐蚀硅片从电化学的导 引槽流向腐蚀槽，待腐蚀硅片中的空穴就会流向靠近阴极电极的待腐蚀硅片表 面，从而使该表面的待腐蚀硅片发生电化学腐蚀，作为阳极的待腐蚀硅片与腐 蚀液中的阴离子(OH-和F-)在待腐蚀硅片中空穴(正电荷)的作用下进行电化 学反应生成二氧化硅，该二氧化硅进而又会被腐蚀液反应掉，当控制反应条件， 使反应过程达到非平衡性状态，就会在待腐蚀硅片表面生成多孔，最终形成多 孔硅。

但是通过该多孔硅电化学腐蚀槽实现双槽电化学腐蚀工艺存在如下几个问 题：

首先，待腐蚀硅片中的空穴浓度对于双槽电化学腐蚀工艺的速率至关重要， 但是，现有工艺中待腐蚀硅片中的空穴浓度很难控制，从而造成双槽电化学腐 蚀工艺的质量及效率得不到保证；

其次，在腐蚀过程中，由金属铂制成的电极容易被腐蚀，造成待腐蚀硅片 上有重金属沾污，从而不利于和常规的集成电路半导体工艺兼容，影响多孔硅 腐蚀后的硅片在半导体生产线上的后续加工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光辅助多孔硅电化学腐蚀槽，以解决现有技术 的双槽电化学腐蚀工艺中待腐蚀硅片中的空穴浓度很难控制，从而造成双槽电 化学腐蚀工艺的质量及效率得不到保证的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光辅助多孔硅电化学腐蚀槽，包括：

槽体；

位于所述槽体内的用以固定待腐蚀硅片的固定架；

位于所述槽体内的电极，所述电极包括阴极电极及阳极电极，所述阴极电 极及阳极电极分别位于所述固定架两侧；

还包括：位于所述槽体内的光辅助结构，所述光辅助结构位于所述固定架 及阴极电极之间，用以向所述待腐蚀硅片提供光照。

可选的，在所述的光辅助多孔硅电化学腐蚀槽中，所述电极为石墨电极。

可选的，在所述的光辅助多孔硅电化学腐蚀槽中，所述固定架上固定待腐 蚀硅片，且待腐蚀硅片正面和背面腐蚀液不发生渗漏。

可选的，在所述的光辅助多孔硅电化学腐蚀槽中，所述待腐蚀硅片将所述 槽体分隔成导引槽及腐蚀槽。

可选的，在所述的光辅助多孔硅电化学腐蚀槽中，所述光辅助结构包括： 光源和透明聚碳酸酯PC塑料，所述光源密封于所述透明聚碳酸酯PC塑料内。

可选的，在所述的光辅助多孔硅电化学腐蚀槽中，所述透明聚碳酸酯PC塑 料为槽栅结构，使得腐蚀液从透明聚碳酸酯PC塑料的一侧流向另一侧。

可选的，在所述的光辅助多孔硅电化学腐蚀槽中，所述透明聚碳酸酯PC塑 料为多个同心圆环组成的槽栅结构。

可选的，在所述的光辅助多孔硅电化学腐蚀槽中，所述透明聚碳酸酯PC塑 料为立式梳状槽栅结构。

可选的，在所述的光辅助多孔硅电化学腐蚀槽中，所述透明聚碳酸酯PC塑 料为横式梳状槽栅结构。

可选的，在所述的光辅助多孔硅电化学腐蚀槽中，所述光源包括LED灯。

在本发明提供的光辅助多孔硅电化学腐蚀槽中，当进行双槽电化学腐蚀工 艺时，通过位于槽体内且位于电极及一待腐蚀硅片之间的光辅助结构，近距离 地、直接地照射待腐蚀硅片，从而有效地在待腐蚀硅片中形成一定浓度的空穴， 进而保证双槽电化学腐蚀工艺的质量及效率。

进一步的，在本发明提供的光辅助多孔硅电化学腐蚀槽中，提供外电场的 电极为石墨电极，石墨的化学性质稳定，避免了用金属铂做电极，容易在待腐 蚀硅片上有重金属沾污的风险，有利于和半导体工艺兼容。

附图说明

图1是现有的多孔硅电化学腐蚀槽的结构示意图；

图2是本发明实施例的光辅助多孔硅电化学腐蚀槽的结构示意图；

图3是本发明实施例的光辅助结构的结构示意图之一；

图4是本发明实施例的光辅助结构的结构示意图之二；

图5是本发明实施例的光辅助结构的结构示意图之三；

图6是本发明实施例的电极的结构示意图之一；

图7是本发明实施例的电极的结构示意图之二。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的光辅助多孔硅电化学腐蚀槽作 进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。 需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、 明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图2，其为本发明实施例的光辅助多孔硅电化学腐蚀槽的结构示意 图。如图2所示，所述光辅助多孔硅电化学腐蚀槽包括：

槽体204；

位于所述槽体204内的用以固定待腐蚀硅片203的固定架；

位于所述槽体204内的电极，所述电极包括阴极电极201及阳极电极202， 所述阴极电极201及阳极电极202分别位于所述固定架两侧；及

位于所述槽体204内的光辅助结构208，所述光辅助结构208位于所述固定 架及阴极电极201之间，用以向所述待腐蚀硅片203提供光照。

具体的，所述固定架包括第一固定架207及位于所述第一固定架207下方 的第二固定架206，所述待腐蚀硅片203通过所述第一固定架207及第二固定架 206予以固定，此时，将使得待腐蚀硅片203正面和背面腐蚀液不发生渗漏。所 述待腐蚀硅片203将所述槽体204分隔成导引槽209及腐蚀槽210，固定架和待 腐蚀硅片需实现两侧液体互相电绝缘，即所谓的双槽，从而便可实现双槽电化 学腐蚀工艺。

在此，所述光辅助结构208位于阴极电极201及待腐蚀硅片203之间。即， 所述光辅助结构208及阴极电极201位于腐蚀槽210内，所述阳极电极202位 于导引槽209内。

当进行双槽电化学腐蚀工艺时，接通电源并向所述槽体204内注入腐蚀液 205，优选的，所述腐蚀液205为氢氟酸溶液或者氢氟酸添加乙醇溶液，其百分 比浓度为15％～25％。

在此，通过位于槽体204内且位于阴极电极201及待腐蚀硅片203之间的 光辅助结构208，近距离地、直接地照射待腐蚀硅片203，从而有效地在待腐蚀 硅片203中形成一定浓度的空穴，进而保证双槽电化学腐蚀工艺的质量及效率。

其中，通过该光辅助结构208能够激发待腐蚀硅片203中的空穴浓度的原 理在于：半导体光硅材料(即待腐蚀硅片)受到光照射时，其价带上的电子被 激发到导带，产生电子-空穴对，进而产生了反应所需的空穴浓度，提高了形成 多孔硅的腐蚀条件成立。

进一步的，所述电极为石墨电极，由于石墨的化学性质稳定，避免了用金 属铂做电极，容易在待腐蚀硅片203上有重金属沾污的风险，有利于和半导体 工艺兼容。

在本实施例中，所述光辅助结构208与所述固定架(即与固定于所述固定 架上的待腐蚀硅片203)之间的距离为20mm～200mm。在此距离范围内，能够 有效的控制所得到的空穴浓度，进而提高形成多孔硅的质量与效率。

请参考图3，其为本发明实施例的光辅助结构的结构示意图之一。如图3所 示，具体的，所述光辅助结构208包括：光源401和透明聚碳酸酯PC塑料402， 所述光源401密封于所述透明聚碳酸酯PC塑料402内。在此，所述透明聚碳酸 酯PC塑料402为槽栅结构，使得腐蚀液205从透明聚碳酸酯PC塑料402的一 侧流向另一侧。具体的，所述透明聚碳酸酯PC塑料402包括多个同心圆环，相 邻两个圆环之间具有间隙403。所述圆环的数量为3个～6个，相邻两个圆环之 间的间隙为5mm～20mm。在本实施例中，位于最外的圆环的直径为 150mm～160mm，每个圆环的环宽为3mm～15mm。

通过将透明聚碳酸酯PC塑料402设置成具有间隙403的同心圆环，既可以 保证待腐蚀硅片203能够受到均匀的照射，又能够使得注入于槽体204内的腐 蚀液205易于流动，从而提高腐蚀形成多孔硅的效率。

在本实施例中，所述光源为LED灯，所述LED灯的数量为18个～96个。 所述LED灯的电压为12V～24V，功率为6W～36W。优选的，所述LED灯的数 量为18个、27个、36个、45个、54个、63个、72个、81个或者96个。多个 LED灯均匀的分布于每个圆环内，即所述光源呈槽栅状，从而给予待腐蚀硅片 203均匀的照射，使得产生的空穴均匀分布于待腐蚀硅片203中，从而使得待腐 蚀硅片203每处的腐蚀效率相当，提高所形成的多孔硅的质量。当然，在本发 明的其他实施例中，所述光源也可以为冷阴极灯，本申请对此不作限定。

在本发明的其他实施例中，所述透明聚碳酸酯PC塑料也可以为立式梳状槽 栅结构(如图4所示)，或者横式梳状槽栅结构(如图5所示)，即使得腐蚀液 能够方便地从透明聚碳酸酯PC塑料的一侧流向另一侧即可，本申请对此不做限 定。

请参考图6，其为本发明实施例的电极的结构示意图之一。如图6所示，所 述电极(即阴极电极201及阳极电极202)的形状为T字形，T字形电极包括上 部横梁及与该上部横梁连接的下部电板，相应的，所述槽体204的侧壁上具有 卡槽(图2中未示出)，由此，所述上部横梁卡和于所述卡槽内。在此，所述下 部电板为正方形，边长为200mm。所述电极上具有多个通孔301，特别的，所 述通孔301位于所述下部电板上，所述通孔301的直径D为2mm～4mm，相邻 两个通孔301之间的距离d为2mm～4mm。优选的，所述通孔301的数量为200 个～400个，该多个通孔301均匀的分布于所述电极上。由此，既可以保证待腐 蚀硅片203能够受到均匀的电场，又能够使得注入于槽体204内的腐蚀液205 易于流动，从而提高腐蚀形成多孔硅的效率。

在本发明的其他实施例中，所述电极也可以为其他形状，例如：所述电极 的形状为T字形，T字形电极包括上部横梁及与该上部横梁连接的下部电板， 所述下部电板为圆形/椭圆形(如图7所示)等，本申请对此不做限定。

在本实施例中，所述电极的厚度为5mm～10mm，所述电极上所加载的电压 为20V～100V，所述电极上所加载的电流为1A～5A的直流电流或者正负脉冲电 流，电压/电流的的峰值是20～100V/(1～5A)的脉冲电源。其中，直流电源的 电流密度为12～80mA/cm²，脉冲电源的正向电流密度是2～10mA/cm³，时间是 20～100ms，反向电流密度是0～1mA/cm³，时间是2～10ms。

优选的，所述阳极电极202与所述固定架(即与固定于所述固定架上的待 腐蚀硅片203)之间的距离为10mm～30mm；所述阴极电极201与所述固定架(即 与固定于所述固定架上的待腐蚀硅片203)之间的距离为50mm～200mm。

在本实施例中，所述槽体204的形状为长方体形，长度为20cm～50cm，宽 度为20cm～30cm，深度为20cm～40cm，即该多孔硅电化学腐蚀槽适合处理6寸 的待腐蚀硅片。当然，根据需要处理的待腐蚀硅片尺寸的不同，例如需要处理8 寸的待腐蚀硅片，所述槽体204的尺寸可相应改变。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定， 本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权 利要求书的保护范围。