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引言
? ? ? 氫氧化鉀溶液通常用于改善硅(100)表面光滑度和減少三維硅結(jié)構(gòu)的凸角底切。異丙醇降低了氫氧化鉀溶液的表面張力，改變了硅的蝕刻各向異性，顯著降低了(110)和(hh1)面的蝕刻速率，并在較小程度上降低了(100)和(h11)面的蝕刻速率。
? ? ? 為了在低氫氧化鉀濃度下獲得低粗糙度的(100)表面，蝕刻溶液必須含有飽和水平的異丙醇。在我們的研究中，我們研究了異丙醇濃度對具有不同晶體取向的硅襯底的蝕刻速率和表面形態(tài)的影響。還研究了氫氧化鉀濃度對(hkl)面蝕刻速率的影響。為了更好地理解蝕刻過程中在硅表面上發(fā)生的現(xiàn)象，還進(jìn)行了蝕刻溶液的表面張力測量。最后，給出了在硅(100)晶片上制作的(hkl)側(cè)壁面包圍結(jié)構(gòu)的例子。
實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)
? ? ? 實(shí)驗(yàn)中使用了不同(hkl)取向的單晶硅片。沒有研究具有(111)取向的晶片，因?yàn)樵撈矫嬖谒袎A性溶液中的蝕刻速率非常低。因此，我們假設(shè)(111)蝕刻速率等于零。晶片在含有不同濃度異丙醇的3-10 M氫氧化鉀水溶液中蝕刻。含有過量醇的溶液使得單獨(dú)的醇層漂浮在溶液表面上，然后被認(rèn)為是飽和的(與醇濃度低于飽和水平的溶液相反，其然后被認(rèn)為是非飽和的)。蝕刻過程在75℃的恒溫玻璃容器中進(jìn)行60分鐘。采用210轉(zhuǎn)/分的機(jī)械攪拌。用于制造微鏡結(jié)構(gòu)的(100)晶片在光刻工藝中被熱氧化和圖案化。
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結(jié)果和討論
異丙醇蝕刻溶液的表面張力：略
? ? ? 氫氧化鉀濃度對蝕刻速率的影響：圖2顯示了(hkl)平面在不同氫氧化物濃度的純KOH水溶液中的蝕刻速率。氫氧化鉀濃度從3到5 M的增加導(dǎo)致所有平面的蝕刻速率的增加。然而，當(dāng)氫氧化鉀濃度較高(10 M)時(shí)，大多數(shù)平面的蝕刻速率降低(除了(110)平面)。在整個(gè)研究濃度范圍內(nèi)，(100)面比(110)面蝕刻得慢。用異丙醇飽和的3-10 M氫氧化鉀溶液中(hkl)平面的蝕刻速率如圖3所示，在低濃度的氫氧化鉀(3-5 M)下，氫氧化鉀濃度的增加會導(dǎo)致(100)蝕刻速率的略微增加和其鄰近平面((h11)平面)蝕刻速率的顯著增加，而幾乎不影響(110)和(331)平面的蝕刻速率。氫氧化鉀濃度的進(jìn)一步增加(從5到10微米)導(dǎo)致(100)和(311)平面以及(110)和(331)平面的蝕刻速率增加。然而,( 110)蝕刻速率增加了大約兩倍，而(100)蝕刻速率僅略有變化，這導(dǎo)致更高的(110)/(100)蝕刻速率比。較低的(110)/(100)蝕刻速率比通常有利于體微加工。
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圖2 在3-10M氫氧化鉀溶液中蝕刻Si(hkl)底物的蝕速率
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圖3 在飽和IPA的3-10M氫氧化鉀溶液中蝕刻的Si(hkl)底物的刻蝕速率
? ? ? 異丙醇濃度對(hkl)平面表面形態(tài)和蝕刻速率的影響：異丙醇濃度對表面形貌的影響取決于硅基底的晶體取向。一般來說，在非飽和溶液中，（110)和鄰近平面比(100)和鄰近平面更平滑，它們上覆蓋著山丘(以平面為界的凸結(jié)構(gòu)）。小山丘的密度隨著酒精濃度的增加而減小，這在（100）表面是最明顯的。當(dāng)異丙醇濃度增加時(shí)，（221）的表面形態(tài)也沒有改善。（331）表面是所有考慮的(hkl)取向基質(zhì)中最平滑的一個(gè)。當(dāng)溶液達(dá)到飽和水平時(shí)，其形態(tài)略有改善。
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結(jié)論
? ? ? 本文研究了氫氧化鉀和異丙醇濃度對硅(hkl)表面腐蝕特性的影響。當(dāng)純氫氧化鉀溶液的氫氧化物濃度稍微增加(從3到5 M)時(shí)，所有被檢查(hkl)平面的蝕刻速率增加。在不飽和異丙醇的氫氧化鉀溶液中，在恒定的表面張力值下，也觀察到蝕刻速率增加。在用醇飽和的溶液中，氫氧化鉀濃度的相同增加導(dǎo)致(110)和(hh1)蝕刻速率的改變可以忽略不計(jì)。當(dāng)氫氧化物濃度從5到10 μm變化時(shí)，純氫氧化鉀溶液中大部分平面的蝕刻速率降低，而用異丙醇飽和的氫氧化鉀溶液中大部分平面的蝕刻速率增加。這一事實(shí)可以用酒精濃度隨著氫氧化鉀濃度從5到10毫摩爾的增加而降低來解釋。
? ? ? 測量蝕刻溶液的表面張力。在較寬的氫氧化物濃度范圍內(nèi)，隨著醇濃度的增加，表面張力降低。這些結(jié)果表明，在空氣/蝕刻溶液界面處以及類似地在蝕刻溶液/硅界面處，醇分子的密度應(yīng)該增加到飽和水平。然而，蝕刻結(jié)果與這一理論有部分矛盾。當(dāng)酒精濃度達(dá)到飽和水平時(shí)，觀察到(100)和(311)蝕刻速率明顯增加。這表明在飽和水平下，硅表面的單層醇分子部分消失。