HF/H2O二元溶液中硅晶片變薄的蝕刻特性

引言

使用酸性或氟化物溶液對硅表面進(jìn)行濕蝕刻具有重大意義，這將用于生產(chǎn)微電子包裝所需厚度的可靠硅芯片。本文研究了濕蝕刻對浸入48%高頻/水溶液中的硅片厚度耗散、減重、蝕刻速率、表面形貌和結(jié)晶性質(zhì)的影響。蝕刻率由深度蝕刻隨時(shí)間的變化來確定。結(jié)果表明，隨著蝕刻時(shí)間的延長，硅的厚度減重增加。在高分辨率光學(xué)顯微鏡下，可以觀察到蝕刻的硅片表面的粗糙表面。XRD分析表明，蝕刻后硅的晶體峰強(qiáng)度變?nèi)?，說明在硅襯底上形成的非晶結(jié)構(gòu)表面的光散射減少。畢竟，這一發(fā)現(xiàn)可以有價(jià)值地用于生產(chǎn)可靠的硅薄晶片，這對于更薄的微電子器件制造和納米封裝至關(guān)重要，進(jìn)而減少環(huán)境污染和能源消耗，以實(shí)現(xiàn)未來的可持續(xù)性。

材料、制備

在蝕刻前，硅片經(jīng)過了溶劑清洗過程。其主要目的是去除其表面的油和有機(jī)殘留物。首先，用丙酮清洗晶片，其中將燒杯中的丙酮在溫度下加熱至55℃。然而，丙酮留下了自己的殘基，因此乙醇被用來清洗丙酮?dú)埢Ｈ缓髮⒕湃牒幸掖嫉乃≈蟹胖?0分鐘。然后將晶片從浴液中取出，用蒸餾水沖洗。這些晶片在蝕刻前在空氣中干燥一天。

在蝕刻過程中，將硅片以48%濃度的高頻蝕刻劑/水溶液中，時(shí)間間隔為10分鐘至1小時(shí)。然后用蒸餾水清洗晶片，用空氣干燥，然后進(jìn)行進(jìn)一步的表征。采用分析半微平衡（GH-202系列）測量重量減輕，采用數(shù)字微米（DTG03L型）測定硅片厚度減少。分別采用光學(xué)顯微鏡(TM-1000日立型)和XRD(MiniFlexII型)研究了蝕刻前后硅晶圓的表面形貌和結(jié)晶度。

結(jié)果和討論

最初，硅片用48%的高頻濃度蝕刻，每隔10分鐘蝕刻1小時(shí)。圖1顯示了在48%高頻溶液中蝕刻硅的厚度減少與蝕刻時(shí)間。從圖中可以看出，硅的厚度減小量隨著蝕刻時(shí)間的增加而增大。具體來說，由HF蝕刻劑引起的厚度減少開始從10分鐘增加到20分鐘，并在隨后的30分鐘蝕刻時(shí)間中變得不變。在那之后，在整個蝕刻期之前都有顯著的增加。由高頻蝕刻60分鐘的最高厚度減少為20μm。本結(jié)果表明，硅晶片上的稀薄效應(yīng)可以用于封裝的微電子器件。

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本研究利用方程（3）和方程（4），根據(jù)硅片的厚度和重量隨時(shí)間的變化來確定蝕刻速率。圖3顯示了本樣品的厚度減少所確定的蝕刻速率隨時(shí)間而變化。硅片的減厚度蝕刻速率范圍在0.20μm/min至0.50μm/min之間。從圖中可以看出，蝕刻速率在10分鐘后的蝕刻過程開始時(shí)明顯增加。然后，蝕刻速率隨時(shí)間的延長而均勻降低。這一特征意味著可以實(shí)現(xiàn)可控的硅變薄過程，以獲得所需的硅片厚度。另一方面，本樣品的重量減輕率隨時(shí)間的蝕刻率如圖所示。有趣的是，通過與從厚度減少過程中得到的蝕刻率進(jìn)行比較，對從減重過程中所確定的蝕刻率也可以觀察到相同的趨勢。這一發(fā)現(xiàn)反映了反應(yīng)速率變慢，可以為晶片細(xì)化工藝設(shè)置合適的蝕刻速度，以滿足所需的制造條件。

通過XRD進(jìn)一步測定了樣品的結(jié)晶性質(zhì)，結(jié)果如圖6所示，這些峰的分布范圍從69°~70°不等。從圖中可以看出，XRD圖案中出現(xiàn)的兩個主要峰可能對應(yīng)于體面和拋光硅表面的反射率。此外，純硅的峰值強(qiáng)度遠(yuǎn)高于蝕刻硅。這一效應(yīng)表明，粗糙表面可能會減少晶格光散射，從而降低光強(qiáng)。另一個原因是蝕刻后在硅表面產(chǎn)生了大量的非定形二氧化硅。此外，在蝕刻后，衍射圖中出現(xiàn)的兩個峰都略微偏移到較低的2θ值，這意味著硅中原子層的平面間距值較高，這是集成電路制造中必不可少的。

結(jié)論

綜上所述，值得總結(jié)的是，本研究結(jié)果表明在含HF溶液蝕刻后，硅片的稀薄效果靈活達(dá)到的厚度。結(jié)果表明，蝕刻速率在初始階段增加，但在剩余蝕刻時(shí)間后減小后，非晶層的光散射，對太陽器件的吸收有用。目前的研究結(jié)果表明，蝕刻的硅可以潛在地安裝到更薄的包裝中，特別是用于光電產(chǎn)品的制造。

　　審核編輯：湯梓紅

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