TMAH溶液對硅得選擇性刻蝕研究

我們?nèi)A林科納研究了TMAH溶液中摩擦誘導(dǎo)選擇性蝕刻的性能受蝕刻溫度、刻蝕時間和刮刻載荷的影響，通過對比試驗，評價了硅摩擦誘導(dǎo)的選擇性蝕刻的機理，各種表面圖案的制造被證明與控制尖端痕跡劃傷。

蝕刻時間和溫度對選擇性蝕刻的影響

當(dāng)金剛石尖端劃傷硅表面時，劃傷區(qū)域發(fā)生晶格變形，形成非晶態(tài)層和扭曲結(jié)構(gòu)，以及硅氧化物，由于晶體硅的蝕刻率遠高于劃傷區(qū)域，因此從劃傷的痕跡中可以產(chǎn)生突出的山丘或納米結(jié)構(gòu)，圖1顯示了蝕刻溫度對在10uN的施加載荷下由劃痕引起的納米結(jié)構(gòu)形成的影響。一般來說，在不同的溫度下蝕刻30秒會導(dǎo)致小山丘的形成，當(dāng)溫度為25°C時，選擇性蝕刻在15分析內(nèi)形成突出的山丘，而在35°C及以上，5分析時沒有選擇性蝕刻，結(jié)果表明，在相同的蝕刻時間下，溫度越高蝕刻速度越快。

在不同溫度下，山丘高度與不同溫度下蝕刻時間的函數(shù)，如圖2所示。結(jié)果表明，在1min范圍內(nèi)，高度隨著溫度升高到50°C而增加，由于氧化硅和TMAH之間的快速化學(xué)反應(yīng)在高溫下，5分鐘的蝕刻導(dǎo)致丘的崩潰，和選擇性蝕刻沒有觀察到溫度高于50°C。因此，選擇性蝕刻持續(xù)更長時間，即使低溫導(dǎo)致蝕刻率相對較低，結(jié)果表明，低溫即25°C，促進了可控的選擇性蝕刻。

從圖1和圖2的結(jié)果可以看出，在TMAH溶液中選擇性蝕刻時間對硅表面突出丘的高度有明顯的影響，在25°C時進一步研究了山丘高度的蝕刻時間變化，隨著蝕刻時間從0增加到8分鐘，山丘高度迅速增加，最大高度達到136納米，預(yù)計新形成的山丘的頂部材料，這是傾斜的結(jié)i（111）平面兩側(cè)的丘，有高化學(xué)活動，和山頂部將迅速蝕刻，導(dǎo)致丘的消失長時間蝕刻，因此，本研究采用8分鐘作為納米制備的最佳蝕刻時間。

在TMAH溶液中選擇性蝕刻對硅表面的納米定位

摩擦誘導(dǎo)選擇性蝕刻是一種用于表面圖案化和制造的低成本且靈活的方法，應(yīng)該注意的是，基于掃描探針顯微鏡(SPM)的通過直接刮擦的納米制造需要高的法向載荷或壓力，這可能導(dǎo)致尖端容易磨損，即使是金剛石尖端也是如此，相比之下，只要在劃痕過程中發(fā)生氧化或晶體變形，就可以實現(xiàn)選擇性刻蝕，并且劃痕所施加的法向載荷對制造的影響極小，換句話說，通過摩擦誘導(dǎo)選擇性蝕刻的制造對所使用的尖端造成較少的磨損，此外，用TMAH蝕刻可以產(chǎn)生高質(zhì)量的表面。在相同的刻蝕時間后，用TMAH溶液刻蝕后的硅表面比用KOH刻蝕后的硅表面光滑得多，在TMAH溶液中通過摩擦誘導(dǎo)選擇性刻蝕在Si(100)上產(chǎn)生的不同圖案，這將有助于在光學(xué)基底和微通道上產(chǎn)生形狀可控的圖案。

當(dāng)采用傳統(tǒng)的SPM掃描技術(shù)進行表面光刻時，由于基底材料的塑性變形接觸壓力高，SPM尖端很容易磨損，相比之下，摩擦誘導(dǎo)選擇性蝕刻可以制作高丘或深通道，在低載荷下實現(xiàn)，減少了SPM尖的磨損，還需要注意到，摩擦誘導(dǎo)的選擇性刻蝕所產(chǎn)生的山丘高度幾乎與施加載荷無關(guān)，這可以避免施加載荷差異對制造結(jié)果的影響，這是有意義的設(shè)計納米微通道，現(xiàn)場控制模式分子束外延(MBE)形成高質(zhì)量的光學(xué)結(jié)構(gòu)，因此，所提出的研究可以豐富SPM基納米光刻技術(shù)的基本方面，并為生產(chǎn)各種應(yīng)用的納米結(jié)構(gòu)提供了一種替代方法。

通過原子力顯微鏡(AFM)在2 um ×2 um的面積上測量表面均方根(RMS)粗糙度為約0.10nm，使用市售TMAH溶液進行蝕刻，制作前將硅片切割成約1 cm ×1 cm的正方形，然后將樣品浸入5 wt% HF溶液中5分鐘，以蝕刻掉天然Si氧化層，用于進一步測試。

本文研究了TMAH溶液中硅表面的摩擦誘導(dǎo)選擇性蝕刻技術(shù)，用于制備納米結(jié)構(gòu)，本研究的主要結(jié)論總結(jié)如下：

(1)在TMAH溶液中，硅表面的機械劃痕區(qū)域可以作為抗腐蝕的掩模。

(2)摩擦誘導(dǎo)選擇性腐蝕形成的小丘依賴于溫度和腐蝕時間，選擇性腐蝕速率隨著溫度的升高而增加，而選擇性腐蝕隨著腐蝕時間的增加而消失，相比之下，在硅片上施加的垂直劃痕載荷對TMAH溶液中選擇性腐蝕產(chǎn)生的小丘高度影響很小。

（3）除了氧化硅，晶體畸變和無定形硅也能抵抗TMAH腐蝕，基于所提出的機理，通過摩擦誘導(dǎo)選擇性刻蝕可以實現(xiàn)低成本、靈活的硅表面圖形化和制作方法。

審核編輯：符乾江