[发明专利]一种基于飞秒激光处理和湿法刻蚀的硅微结构加工方法

说明书

技术领域

本发明属于微机械电子系统（MEMS）和半导体集成电路技术领域，涉及一种硅微结构的加工方法，尤其是一种基于飞秒激光处理和湿法刻蚀的深硅槽加工方法。

背景技术

在半导体器件以及微机械电子系统的加工中，目前主要采用湿法刻蚀和干法刻蚀在硅上加工出微纳结构。湿法刻蚀和干法刻蚀一般需要采用掩模定义刻蚀区域。湿法刻蚀利用能和硅进行化学反应的溶液对硅进行刻蚀，通常采用碱（KOH、NaOH等）或者酸（HF和HNO₃混合溶液等）溶液。干法刻蚀是利用等离子体通过化学或者物理的作用对硅实现刻蚀。各向异性的干法刻蚀是目前加工高深宽比的深硅槽最主要的方法。

高深宽比的深硅槽在半导体器件中的隔离槽、微流控芯片、以及MEMS器件中具有重要的应用。例如在体硅MEMS器件中，微结构和电路部分的电隔离和互联是一种非常重要的技术。由于体硅工艺与传统CMOS工艺不兼容，形成高深宽比的硅隔离槽成为亟待解决的工艺问题。一般要求这种隔离槽深度达到20～100μm，深宽比大于25:1。通常采用深反应离子刻蚀（DRIE）的方法加工深硅槽。DRIE加工方法先采用光刻技术定义出槽图形，然后利用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀技术反复进行刻蚀和钝化，直到加工出足够深的高深宽比硅槽。目前这种方法刻蚀硅槽的深宽比达到了40:1。然而这种方法工艺比较繁杂。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于飞秒激光处理和湿法刻蚀的硅微结构加工方法，其采用飞秒激光照射的方式定义刻蚀区域，再利用湿法腐蚀的方法刻蚀出硅微结构。该方法不仅工序更为简单，而且不需要掩模来定义刻蚀区域。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种基于飞秒激光处理和湿法刻蚀的硅微结构加工方法是在含氧气体氛围中利用飞秒激光扫描单晶硅基片，在扫描区诱导硅产生折射率变化，再通过氢氟酸湿法刻蚀去除折射率变化区形成硅微结构。

进一步的，以上方法具体按照以下步骤进行：

（1）选用单晶硅基片，依次在丙酮、酒精和去离子水中清洗；

（2）在含氧气体氛围中利用飞秒激光在硅上扫描定义微结构的分布图样，使扫描区域折射率改变；

（3）将飞秒激光处理后的硅基片在氢氟酸中进行超声波辅助腐蚀，去除折射率变化区域，形成硅微结构；

（4）将氢氟酸腐蚀后的硅片在去离子水中清洗。

进一步，上述单晶硅基片是<100>、<111>、<110>晶向的硅基片。

进一步，以上步骤（2）中，所述含氧气体选择空气。

上述步骤（2）中，利用飞秒激光扫描单晶硅基片在其内部形成含氧的折射率变化区域，表面激光去除深度小于5微米。

上述步骤（2）中，飞秒激光照射产生的折射率变化区域深度和宽度由照射的飞秒激光能量、聚焦条件以及扫描速度控制；折射率变化区域的深度为200微米以上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于飞秒激光处理和湿法刻蚀的硅微结构加工方法工艺简单，与现有技术相比，其不需要使用掩模板定义微结构的分布图样；氢氟酸仅和折射率变化区域进行化学反应，相对于通常的湿法和干法刻蚀，腐蚀选择性好，刻蚀区域完全由飞秒激光处理区域决定，不存在侧向钻蚀；在深硅槽的加工中可以获得深宽比高、深度大的硅槽。本发明相对于现有技术中飞秒激光直接刻蚀硅槽的方法所需要的激光能量更低。本发明的方法可应用于微机械电子系统。

附图说明

图1是本加工方法采用的加工装置图；

图2是本发明刻蚀硅微结构流程示意图；

图3是本发明方法加工过程中飞秒激光扫描后硅的侧面扫描电子显微镜（SEM）图像以及刻蚀出硅槽形貌的SEM图像和元素测量结果；

图4为实施例2最终加工出的硅槽的形貌图；

图5为实施例3最终加工出的硅槽的形貌图。

其中，1为单晶硅基片；2为显微物镜；3为飞秒激光；4为飞秒激光诱导产生折射率变化区域；5为HF溶液；6为去离子水；7为计算机；8为三维电动平移台；9为CCD。

具体实施方式

本发明基于飞秒激光处理和湿法刻蚀的硅微结构加工方法是在含氧气体氛围中利用飞秒激光扫描单晶硅基片，在扫描区诱导硅产生折射率变化而不是直接去除硅材料，再通过氢氟酸湿法刻蚀去除折射率变化区形成硅微结构。本发明适用于各种晶向的单晶硅基片，本发明优选<100>、<111>、<110>晶向的硅基片。