CN110491786A - 一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，首先在晶体硅片上制备出带有图形的第一金属膜，再在晶体硅片上制备出带有图形的第二金属膜，然后置于盐溶液中，在有氧气参与的条件下进行反应，待反应完毕后去除反应剩余的第一金属膜和第二金属膜，清洗、烘干，在晶体硅片上腐蚀出所需要的凹坑或通孔。本发明采用了对环境友好的盐溶液作为腐蚀液，按照工艺要求，在晶体硅片上腐蚀出所需要的凹坑或者通孔。采用该方法腐蚀时，产生的氢氧根离子数目及腐蚀点精确可控，可以在晶体硅上腐蚀出凹坑或者通孔，满足晶体硅器件加工要求的需要。
Description
技术领域
本发明属于晶体硅片加工领域，涉及一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法。
背景技术
晶体硅作为电子工业的基础材料，用途非常广泛，人们希望在晶体硅的表面上腐蚀出所需的凹坑或者通孔，满足电子器件制备的需要。目前在晶体硅片上制备所需凹坑及通孔的方法有化学腐蚀法，激光打孔法及等离子刻蚀等方法，化学腐蚀法通常采用酸性或碱性溶液在晶体硅片表面进行各向同性或各向异性的腐蚀，制备出所需的凹坑，起到减少反射的效果，用于制备光电子器件，或者腐蚀出工艺所要求的通孔，用于微电子器件的立体封装。化学腐蚀方法虽然操作简单，但是大量酸或碱性溶液的使用易对环境造成污染。激光打孔技术虽然简洁高效，但容易造成晶体硅片表面损伤，损伤部位易引起局部载流子表面复合速度的增加，降低器件的电性能。等离子刻蚀往往用于制备出不同形状的凹坑，起到光学减反的效果，但是等离子刻蚀速度较慢，效率低，设备昂贵，制备成本高。
采用该腐蚀办法腐蚀晶体硅与采用碱性溶液腐蚀晶体硅的主要区别在于：采用碱性溶液腐蚀时，晶体硅的表面都暴露在碱性溶液中，而采用本发明腐蚀晶体硅片时，电化学反应产生的氢氧根离子聚集在需要刻蚀的地方，达到了在微观领域定点腐蚀晶体硅的效果。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明的目的在于提出了一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，首先在晶体硅片上制备出带有图形的第一金属膜，再在晶体硅片上制备出带有图形的第二金属膜，然后置于盐溶液中，在有氧气参与的条件下进行反应，待反应完毕后去除反应剩余的第一金属膜和第二金属膜，清洗、烘干，在晶体硅片上腐蚀出所需要的凹坑或通孔。
本发明进一步的改进在于，晶体硅片的电阻率为1-3Ω·cm，厚度为100-450μm。
本发明进一步的改进在于，第一金属膜的金属活泼性与第二金属膜的金属活泼性不同。
本发明进一步的改进在于，带有图形的第一金属膜和带有图形的第二金属膜均采用如下方法制得：
采用真空蒸发或采用溅射，然后通过微电子工艺中的反刻金属的方法形成；或
通过带有相应图案的机械掩膜一次形成；或
采用丝网印刷技术制得。
本发明进一步的改进在于，第一金属膜和第二金属膜的厚度均为0.01-10μm。
本发明进一步的改进在于，盐溶液为氯化钠、碳酸钠、硫酸钠、硝酸钠、磷酸钠、溴化钠、氯化钾、碳酸钾、硫酸钾、硝酸钾、磷酸钾或溴化钾溶液。
本发明进一步的改进在于，盐溶液的质量百分比浓度为1％-90％。
本发明进一步的改进在于，反应在室温或加热条件下进行。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：根据原电池反应机制，盐溶液作为电解液，晶体硅片上两种金属活泼性不同的金属膜作为电极，负极上，金属活泼性较强的金属失去电子发生氧化反应，正极上，氧气得到电子发生还原反应，生成OH-，OH-再与Si反应，最后生成硅酸盐和氢气。本发明根据上述反应机理，采用了对环境友好的盐溶液作为腐蚀液，按照工艺要求，在晶体硅片上腐蚀出所需要的凹坑或者通孔。采用该方法腐蚀时，产生的氢氧根离子数目及腐蚀点精确可控，可以在晶体硅上腐蚀出凹坑或者通孔，满足晶体硅器件加工要求的需要。该方法没有使用对环境有害的酸或碱腐蚀液，也没有使用激光打孔及等离子刻蚀等方法，可以按照工艺要求，采用盐溶液腐蚀出所需的凹坑或者通孔，操作简单，具有很好的可控性，可以腐蚀出任意形状的凹坑或通孔。
附图说明
图1为本发明在晶体硅片上制备所需凹坑或者通孔的示意图。
图中，1为晶体硅片，2为带有所需图形的第一金属膜，3为带有所需图形的第二金属膜，4为凹坑，5为通孔。
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例进行说明。
参见图1和图2，本发明公开了一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，在晶体硅片1上制备出带有所需图形的第一金属膜2，再在晶体硅片上制备出带有所需图形的第二金属膜3，然后将带有一定金属图案的晶体硅片置于盐溶液中，在有氧气参与的条件下进行反应，待反应完毕后用相应溶液去除反应剩余的第一金属膜和第二金属膜，清洗、烘干，在晶体硅片上腐蚀出所需要的凹坑4或通孔5。其中，第一金属膜的金属活泼性与第二金属膜的金属活泼性不同。所需要的反应时间与所刻蚀的深度、盐溶液的浓度以及反应温度有关。
本发明中晶体硅片的直径约在100-300mm之间，电阻率为1-3Ω·cm，厚度约在100-450μm之间。
第一金属膜和第二金属膜上图形的制备既可以采用真空蒸发，也可以采用溅射，最后通过微电子工艺中的反刻金属的方法形成，第一金属膜和第二金属膜的厚度在0.01-10μm之间。
第一金属膜和第二金属膜上图形的制备也可以通过带有相应图形的机械掩膜一次形成，第一金属膜和第二金属膜的厚度在0.01-10μm之间。
第一金属膜和第二金属膜上图形的制备还可以采用丝网印刷技术，第一金属膜和第二金属膜的厚度在0.01-10μm之间。优选的，厚度为1-10μm，具体的每层金属膜的厚度可以根据实际需要进行调整。
本发明中腐蚀采用的是盐溶液来腐蚀，而没有采用对环境不友好的酸或碱溶液，也没有采用等离子刻蚀或者激光打孔的方法。
所用盐溶液是一定浓度的钠盐或钾盐溶液，如一定浓度的氯化钠、碳酸钠、硫酸钠、硝酸钠、磷酸钠、溴化钠、氯化钾、碳酸钾、硫酸钾、硝酸钾、磷酸钾或溴化钾等盐溶液；优选的为氯化钠溶液。所用盐溶液的质量百分比浓度在1％-90％之间，优选的，盐溶液的质量百分比浓度为30％-80％。盐溶液的质量百分比浓度小的话，需要腐蚀反应的时间会长一些。
该反应处于大气或有氧气参与的条件下进行腐蚀反应。反应既可以在室温下进行，也可以在辅助加热的条件下进行，具体视工艺要求而定。
该反应的时间与刻蚀的深度、盐溶液的浓度以及反应温度有关。刻蚀深度浅、盐溶液浓度高、反应温度高，则该反应所需要的时间短。
该方法没有使用对环境有害的酸或碱腐蚀液，操作简单，具有很好的可控性，可以腐蚀出任意形状的凹坑或通孔。
下面为具体实施例。
实施例1
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用N型单晶硅片，其直径为210mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是450μm，首先在该N型单晶硅片上采用真空蒸发或溅射的方法蒸镀一层约1μm厚度的铝膜(即第一金属膜)，然后进行光刻，接着利用热磷酸腐蚀掉不需要的铝，再利用金属掩膜蒸镀约1μm厚度的金属银薄膜(即第二金属膜)，之后，将蒸有铝层与银层的晶体硅片置于质量百分比浓度40％的氯化钠溶液中，置于40-60℃且有氧气参与的条件下反应100小时，待反应完毕将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属铝和银，清洗、烘干得到所需通孔的晶体硅片。
实施例2
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用P型单晶硅片，其直径为300mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是180μm，首先将机械掩膜与晶体硅片紧密结合，放置在真空蒸发或溅射设备的沉积工位上，蒸镀一层约1μm厚度的铝膜(即第一金属膜)，接着打开真空室，去掉与金属铝膜对应的机械掩膜，换上另一种机械掩膜，再次蒸发或溅射约0.5-1μm的银膜(即第二金属膜)，蒸发完毕后取下具有一定铝和银图案的晶体硅片，置于质量百分比浓度30％的氯化钠溶液中，置于大气气氛下，将反应温度控制在60-80℃之间，反应时间约为5-6小时，待反应完毕后将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属铝和银，清洗、烘干得到所需约3μm厚凹坑的晶体硅片。
实施例3
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用P型单晶硅准方片，其尺寸是156mm×156mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是180μm，首先在该P型单晶硅硅片上采用丝网印刷的方法印刷一层约10μm厚度的铝膜(即第一金属膜)，然后进行烘干，接着进行第二次丝网印刷，印刷一层约10μm厚度的银膜(即第二金属膜)，烘干后置于质量百分比浓度60％的氯化钠溶液中，在通氧且反应温度为50℃条件下反应2-3小时，待反应完毕后将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属铝和银，清洗、烘干得到所需约2μm厚凹坑的晶体硅片。
实施例4
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用P型多晶硅片，其尺寸是156.75mm×156.75mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是180μm，首先在该P型多晶硅片上采用真空蒸发或溅射的方法蒸镀一层约1μm厚度的铝膜(即第一金属膜)，然后进行光刻，接着利用热磷酸腐蚀掉不需要的铝，再利用金属掩膜蒸镀约0.5-1μm的Au(金)薄膜(即第二金属膜)，之后，将蒸有铝膜与Au(金)膜的晶体硅片置于质量百分比浓度40％的氯化钠溶液中，置于80-85℃且有氧气参与的条件下反应60小时，待反应完毕将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属铝和金，清洗、烘干得到所需通孔的晶体硅片。
实施例5
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用P型单晶硅片，其直径为150mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是180μm，首先将机械掩膜与晶体硅片紧密结合，放置在真空蒸发或溅射设备的沉积工位上，蒸镀一层约1μm厚度的铜膜(即第一金属膜)，接着打开真空室，去掉与金属铜膜对应的机械掩膜，换上另一种机械掩膜，再次蒸发或溅射约0.5-1μm的Au(金)膜(即第二金属膜)，蒸发完毕后取下具有一定铜和Au(金)图案的晶体硅片，置于质量百分比浓度30％的氯化钠溶液中，置于大气气氛下且反应温度为40-50℃反应10小时，待反应完毕后将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属铜和Au(金)，清洗、烘干得到所需约1μm厚凹坑的晶体硅片。
实施例6
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用P型单晶硅准方片，其尺寸是156mm×156mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是150μm，首先在该P型单晶硅准方片上采用丝网印刷的方法印刷一层约10μm厚度的铜膜(即第一金属膜)，然后进行烘干，接着进行第二次丝网印刷，印刷一层约10μm厚度的银膜(即第二金属膜)，烘干后置于质量百分比浓度80％的氯化钠溶液中，在通氧且反应温度为75℃条件下反应8小时，待反应完毕后将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属铜和银，清洗、烘干得到所需通孔的晶体硅片。
实施例7
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用N型单晶硅硅片，其直径为210mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是450μm，首先在该N型单晶硅片上采用真空蒸发或溅射的方法蒸镀一层约1μm厚度的银膜(即第一金属膜)，然后进行光刻，接着利用热磷酸腐蚀掉不需要的银，再利用金属掩膜蒸镀约0.5-1μm的金属铂薄膜(即第二金属膜)，紧接着，将蒸有银层与铂层的晶体硅片置于质量百分比浓度40％的氯化钠溶液中，置于30-40℃且有氧气参与的条件下反应5小时，待反应完毕将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属银和铂，清洗、烘干得到所需约1μm厚凹坑的晶体硅片。
实施例8
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用N型单晶硅片，其直径为210mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是450μm，首先在该N型单晶硅片上采用真空蒸发或溅射的方法蒸镀一层约2μm厚度的铝膜(即第一金属膜)，然后进行光刻，接着利用热磷酸腐蚀掉不需要的铝，再利用金属掩膜蒸镀约0.1μm厚度的金属银薄膜(即第二金属膜)，之后，将蒸有铝层与银层的晶体硅片置于质量百分比浓度1％的氯化钾溶液中，置于40-60℃且有氧气参与的条件下反应8-9小时，待反应完毕将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属铝和银，清洗、烘干得到所需约1μm厚凹坑的晶体硅片。
实施例9
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用N型单晶硅片，其直径为210mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是450μm，首先在该N型单晶硅片上采用真空蒸发或溅射的方法蒸镀一层约0.1μm厚度的铝膜(即第一金属膜)，然后进行光刻，接着利用热磷酸腐蚀掉不需要的铝，再利用金属掩膜蒸镀约0.01μm厚度的金属银薄膜(即第二金属膜)，之后，将蒸有铝层与银层的晶体硅片置于质量百分比浓度90％的碳酸钠溶液中，置于40-60℃且有氧气参与的条件下反应10小时，待反应完毕将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属铝和银，清洗、烘干得到所需通孔的晶体硅片。
实施例10
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用N型单晶硅片，其直径为210mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是450μm，首先在该N型单晶硅片上采用真空蒸发或溅射的方法蒸镀一层约0.5μm厚度的铝膜(即第一金属膜)，然后进行光刻，接着利用热磷酸腐蚀掉不需要的铝，再利用金属掩膜蒸镀约1μm厚度的金属银薄膜(即第二金属膜)，之后，将蒸有铝层与银层的晶体硅片置于质量百分比浓度10％的碳酸钾溶液中，置于40-60℃且有氧气参与的条件下反应2-3小时，待反应完毕将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属铝和银，清洗、烘干得到所需约1μm厚凹坑的晶体硅片。
实施例11
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用P型单晶硅准方片，其尺寸是156mm×156mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是150μm，首先在该P型单晶硅准方片上采用丝网印刷的方法印刷一层约10μm厚度的铜膜(即第一金属膜)，然后进行烘干，接着进行第二次丝网印刷，印刷一层约10μm厚度的银膜(即第二金属膜)，烘干后置于质量百分比浓度80％的硫酸钠溶液中，在通氧且反应温度为75℃条件下反应8小时，待反应完毕后将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属铜和银，清洗、烘干得到所需通孔的晶体硅片。
实施例12
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用P型单晶硅准方片，其尺寸是156mm×156mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是150μm，首先在该P型单晶硅准方片上采用丝网印刷的方法印刷一层约10μm厚度的铜膜(即第一金属膜)，然后进行烘干，接着进行第二次丝网印刷，印刷一层约10μm厚度的银膜(即第二金属膜)，烘干后置于质量百分比浓度80％的硝酸钠溶液中，在通氧且反应温度为75℃条件下反应8小时，待反应完毕后将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属铜和银，清洗、烘干得到所需通孔的晶体硅片。
实施例13
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用N型单晶硅片，其直径为210mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是450μm，首先在该N型单晶硅片上采用真空蒸发或溅射的方法蒸镀一层约0.5μm厚度的铝膜(即第一金属膜)，然后进行光刻，接着利用热磷酸腐蚀掉不需要的铝，再利用金属掩膜蒸镀约1μm厚度的金属银薄膜(即第二金属膜)，之后，将蒸有铝层与银层的晶体硅片置于质量百分比浓度10％的磷酸钠溶液中，置于40-60℃且有氧气参与的条件下反应2-3小时，待反应完毕将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属铝和银，清洗、烘干得到所需约1μm厚凹坑的晶体硅片。
实施例14
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用N型单晶硅片，其直径为210mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是450μm，首先在该N型单晶硅片上采用真空蒸发或溅射的方法蒸镀一层约0.5μm厚度的铝膜(即第一金属膜)，然后进行光刻，接着利用热磷酸腐蚀掉不需要的铝，再利用金属掩膜蒸镀约1μm厚度的金属银薄膜(即第二金属膜)，之后，将蒸有铝层与银层的晶体硅片置于质量百分比浓度10％的溴化钠溶液中，置于40-60℃且有氧气参与的条件下反应2-3小时，待反应完毕将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属铝和银，清洗、烘干得到所需约1μm厚凹坑的晶体硅片。
实施例15
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用N型单晶硅片，其直径为210mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是450μm，首先在该N型单晶硅片上采用真空蒸发或溅射的方法蒸镀一层约2μm厚度的铝膜(即第一金属膜)，然后进行光刻，接着利用热磷酸腐蚀掉不需要的铝，再利用金属掩膜蒸镀约0.1μm厚度的金属银薄膜(即第二金属膜)，之后，将蒸有铝层与银层的晶体硅片置于质量百分比浓度1％的硝酸钾溶液中，置于40-60℃且有氧气参与的条件下反应8-9小时，待反应完毕将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属铝和银，清洗、烘干得到所需约1μm厚凹坑的晶体硅片。
实施例16
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用N型单晶硅片，其直径为210mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是450μm，首先在该N型单晶硅片上采用真空蒸发或溅射的方法蒸镀一层约2μm厚度的铝膜(即第一金属膜)，然后进行光刻，接着利用热磷酸腐蚀掉不需要的铝，再利用金属掩膜蒸镀约0.1μm厚度的金属银薄膜(即第二金属膜)，之后，将蒸有铝层与银层的晶体硅片置于质量百分比浓度1％的溴化钾溶液中，置于40-60℃且有氧气参与的条件下反应8-9小时，待反应完毕将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属铝和银，清洗、烘干得到所需约1μm厚凹坑的晶体硅片。
实施例17
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用P型多晶硅片，其尺寸是156.75mm×156.75mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是180μm，首先在该P型多晶硅片上采用真空蒸发或溅射的方法蒸镀一层约1μm厚度的铝膜(即第一金属膜)，然后进行光刻，接着利用热磷酸腐蚀掉不需要的铝，再利用金属掩膜蒸镀约0.5-1μm的Au(金)薄膜(即第二金属膜)，之后，将蒸有铝膜与Au(金)膜的晶体硅片置于质量百分比浓度40％的硫酸钾溶液中，置于80-85℃且有氧气参与的条件下反应60小时，待反应完毕将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属铝和金，清洗、烘干得到所需通孔的晶体硅片。
实施例18
一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，采用P型多晶硅片，其尺寸是156.75mm×156.75mm，电阻率是1-3Ω·cm，厚度是180μm，首先在该P型多晶硅片上采用真空蒸发或溅射的方法蒸镀一层约1μm厚度的铝膜(即第一金属膜)，然后进行光刻，接着利用热磷酸腐蚀掉不需要的铝，再利用金属掩膜蒸镀约0.5-1μm的Au(金)薄膜(即第二金属膜)，之后，将蒸有铝膜与Au(金)膜的晶体硅片置于质量百分比浓度40％的磷酸钾溶液中，置于80-85℃且有氧气参与的条件下反应60小时，待反应完毕将晶体硅片置于王水中去除掉未被反应的金属铝和金，清洗、烘干得到所需通孔的晶体硅片。
Claims (8)
1.一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，其特征在于，首先在晶体硅片上制备出带有图形的第一金属膜，再在晶体硅片上制备出带有图形的第二金属膜，然后置于盐溶液中，在有氧气参与的条件下进行反应，待反应完毕后去除反应剩余的第一金属膜和第二金属膜，清洗、烘干，在晶体硅片上腐蚀出所需要的凹坑或通孔。
2.根据权利要求1所述的一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，其特征在于，晶体硅片的电阻率为1-3Ω·cm，厚度为100-450μm。
3.根据权利要求1所述的一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，其特征在于，第一金属膜的金属活泼性与第二金属膜的金属活泼性不同。
4.根据权利要求1所述的一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，其特征在于，带有图形的第一金属膜和带有图形的第二金属膜均采用如下方法制得：
采用真空蒸发或采用溅射，然后通过微电子工艺中的反刻金属的方法形成；或
通过带有相应图案的机械掩膜一次形成；或
采用丝网印刷技术制得。
5.根据权利要求1所述的一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，其特征在于，第一金属膜和第二金属膜的厚度均为0.01-10μm。
6.根据权利要求1所述的一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，其特征在于，盐溶液为氯化钠、碳酸钠、硫酸钠、硝酸钠、磷酸钠、溴化钠、氯化钾、碳酸钾、硫酸钾、硝酸钾、磷酸钾或溴化钾溶液。
7.根据权利要求1或6所述的一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，其特征在于，盐溶液的质量百分比浓度为1％-90％。
8.根据权利要求1所述的一种采用盐溶液腐蚀晶体硅的方法，其特征在于，反应在室温或加热条件下进行。
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