使用酸性溶液對硅晶片進(jìn)行異常各向異性蝕刻

介紹

在本文中，我們首次報道了實現(xiàn)硅111和100晶片的晶體蝕刻的酸性溶液。通過使用六氟硅酸(也稱為氟硅酸)和硝酸的混合物，獲得暴露出各種面外111平面的硅111的晶體蝕刻。本文描述了用于該研究的溶液的化學(xué)組成，隨后是使用電子和光學(xué)顯微鏡獲得的結(jié)果。蝕刻的機(jī)理，雖然沒有完全理解，將在下面的章節(jié)中討論。

氫氟硅酸H2SiF6用于沉積二氧化硅，在二氧化硅中發(fā)現(xiàn)其蒸汽含有過量的四氟化鈉，四氟化鈉與水結(jié)合會產(chǎn)生二氧化硅。在更具體的應(yīng)用中，這種酸用于薄膜光波導(dǎo)或硅金屬氧化物半導(dǎo)體太陽能電池中使用的氟化氧化硅的液相沉積LPD。在飽和H2SiF6中的陽極氧化也是這種太陽能電池中LPD的一種替代方法。另一種可能的應(yīng)用是通過電沉積方法沉積非晶硅薄膜，得到高電阻率的硅膜。氟硅酸也有工業(yè)應(yīng)用，如cap蝕刻劑和磷酸凈化。

實驗過程與結(jié)果

在圖1111和100取向硅晶片的蝕刻速率與22℃時H2SiF6與硝酸的比率分別在a部分和b部分繪制。雖然僅僅硝酸不會侵蝕硅，但是加入適量的H2SiF6會導(dǎo)致相當(dāng)大的去除率。如圖所示，從溶液中省略硝酸也停止了蝕刻過程，因為它在蝕刻過程中起到了氧化劑的作用。觀察到在濃度為5∶2的H2SiF6和硝酸的Si111晶片中，獲得了2 m/h的蝕刻速率;然而，通過將溫度從22℃提高到50℃，可以實現(xiàn)高達(dá)10–15m/h的蝕刻速率。在較低的H2SiF6與硝酸的比例下，蝕刻變得不太各向異性，而在10:1的值下，各向異性變得更明顯。通過降低溫度，各向異性增加。

圖1 對于a 111和b 100硅晶片，在22℃下蝕刻速率與H2SiF6與硝酸的比率的關(guān)系

我們還通過將蝕刻的樣品浸入60°C的8M氫氧化鉀中，研究了演化特征的晶體學(xué)。經(jīng)過長時間的曝光，特征保持不變，表明側(cè)壁均為111平面，與理論預(yù)測一致。圖2顯示了一個首先在酸性溶液中處理的矩形開口的顯微照片圖像，該開口的矩形形狀被修復(fù)成一個六角形的開口。然后在上述條件下將樣品浸入氫氧化鉀中，六角形形狀保持完整。由于氫氧化鉀對h2sif6/hno3酸性溶液具有更高的選擇性，因此側(cè)壁呈銳化現(xiàn)象。

圖2 首先在酸性溶液中處理的Si111晶片中的矩形掩模開口的SEM照片，并且矩形開口變?yōu)榱呅伍_口。然后將樣品在60℃的氫氧化鉀8 M溶液中浸泡較長時間。晶體側(cè)壁保持不變，與它們是111壁的預(yù)測一致。

通過利用這種酸性溶液，可以實現(xiàn)光子器件和波導(dǎo)的制造，而不需要預(yù)蝕刻反應(yīng)步驟。這種器件是用111取向的硅晶片制造的，在那里可以生產(chǎn)非常薄的光滑薄膜

結(jié)論

總之，我們研究了硅111和100晶片在特殊酸性溶液中的各向異性蝕刻，其中氫氟酸成分被氟硅酸代替。新氟離子或氫氟酸的產(chǎn)生被認(rèn)為在硅晶片表面的溶液中加速。根據(jù)蝕刻時間和條件，觀察到六邊形或三角形結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特征。三角形似乎占主導(dǎo)地位，分形結(jié)構(gòu)占優(yōu)勢。由于這種結(jié)構(gòu)在任何放大倍數(shù)下都能保持其形狀，因此在多孔硅應(yīng)用中可能會引起人們的注意。在形成山丘的地方，凸角保持完整，角的圓度很小。需要進(jìn)一步研究蝕刻化學(xué)，以了解111和100晶片的蝕刻機(jī)理，并制造納米分形結(jié)構(gòu)。

審核編輯：湯梓紅