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引言
? ? ? 氫氧化鉀溶液中硅的各向異性刻蝕是微機(jī)械加工中的一項(xiàng)重要技術(shù)。氫氧化鉀蝕刻硅的殘留物沉積通常被認(rèn)為是該技術(shù)的缺點(diǎn)。在這份報(bào)告中，我們利用這種殘留物作為第二掩模層來制造兩層復(fù)雜結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)并測(cè)試了尺寸在15-150米范圍內(nèi)、間隙距離為5米的方形圖案。當(dāng)襯底在氫氟酸溶液中被過度蝕刻超過閾值時(shí)，出現(xiàn)殘余掩蔽層。根據(jù)二氧化硅和殘留物兩種不同的掩蔽層，得到了由類壁結(jié)構(gòu)包圍的兩層微錐結(jié)構(gòu)。殘余掩蔽層是穩(wěn)定的，并且可以在氫氧化鉀蝕刻中存活很長(zhǎng)時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)深硅蝕刻。研究了刻蝕劑濃度、溫度、刻蝕時(shí)間和圖形尺寸等工藝參數(shù)。通過良好控制的兩層結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)有用的結(jié)構(gòu)用于未來的等離子體和微流體裝置。
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介紹
? ? ? 氫氧化鉀蝕刻硅的殘留物沉積是眾所周知的，這通常被認(rèn)為是這種制造技術(shù)的缺點(diǎn)。在這項(xiàng)工作中，我們利用殘余物作為第二掩模層來制造兩層微結(jié)構(gòu)。不同圖案尺寸的方形陣列微機(jī)械從15到150米和5米的間隙距離已經(jīng)被設(shè)計(jì)和測(cè)試。正常的微錐可以通過在氫氟酸和氫氧化鉀溶液中蝕刻控制良好的二氧化硅和硅來制造。當(dāng)襯底在HF中被過度蝕刻以獲得更大的間隙時(shí)，第二層壁狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在第一層微錐體之間。仔細(xì)控制制造參數(shù)，兩層結(jié)構(gòu)尺寸可以精確調(diào)整。殘留物掩蔽層堅(jiān)固穩(wěn)定，比氫氧化鉀蝕刻的二氧化硅掩蔽層存活時(shí)間更長(zhǎng)，最終導(dǎo)致反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
? ? ? 雙層微/納米結(jié)構(gòu)對(duì)于實(shí)現(xiàn)分步乳化微流體裝置]和超疏水表面非常重要。使用標(biāo)準(zhǔn)的微制造技術(shù)，通常需要兩次光刻和濕法蝕刻來獲得兩層微結(jié)構(gòu)。通過這種方法，可以在簡(jiǎn)單的一步光刻和濕法蝕刻工藝中制造兩層微結(jié)構(gòu)，這對(duì)于制造等離子體功能器件非常有用微流體應(yīng)用。
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結(jié)果與討論
? ? ? 通過在氫氧化鉀蝕刻溶液中對(duì)硅表面進(jìn)行各向異性蝕刻，可以制造微米至納米尺寸的金字塔。金字塔的形成既與任何特定的氫氧化鉀供應(yīng)商無關(guān)，也與掩?；蚬饪虇栴}無關(guān)。通常，氫氧化鉀蝕刻的金字塔具有精確的幾何形狀。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，可以觀察到兩種類型的金字塔:矩形底座或八角形底座[21]。
通常，根據(jù)KOH溶液中< 100 >和< 110 >平面的各向異性蝕刻獲得金字塔。在這項(xiàng)工作中，我們?cè)O(shè)計(jì)了15至150米的正方形圖案，間距為5米。通過控制在HF溶液中的蝕刻時(shí)間，二氧化硅(用于KOH蝕刻的第一掩模層)的開口隨著蝕刻時(shí)間而變化。通過嚴(yán)格控制在氫氟酸溶液中的腐蝕時(shí)間，我們獲得了簡(jiǎn)單的微錐結(jié)構(gòu)。然而，在HF溶液中延長(zhǎng)的蝕刻時(shí)間擴(kuò)大了硅襯底上二氧化硅的開口尺寸，這導(dǎo)致與大量產(chǎn)物的快速反應(yīng)，這些產(chǎn)物將沉積在用作第二掩模層的硅表面上，以在第一層微錐體之間產(chǎn)生第二層壁狀結(jié)構(gòu)。
? ? ? ?一步濕法刻蝕獲得的兩種微結(jié)構(gòu) ??略
? ? ? 高頻刻蝕時(shí)間對(duì)雙層結(jié)構(gòu)的影響 ??略
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? ? ? 圖4：第二層壁的寬度隨氫氧化鉀濃度而變化。(b)第二層壁的寬度(W2nd)隨著氫氧化鉀溶液中的蝕刻時(shí)間而變化。樣品圖案為50米~ 50米見方，間距為5米。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是通過對(duì)三個(gè)樣本的值進(jìn)行平均而獲得的。所有樣品在氫氟酸溶液中蝕刻1.5分鐘。蝕刻時(shí)間和溫度為30分鐘和70 ?c(a)。對(duì)于(b)，KOH濃度為10 wt % KOH，蝕刻溫度為70 ?C。
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? ? ? 樣品在氫氟酸中腐蝕1.0分鐘，得到簡(jiǎn)單的單層微錐。當(dāng)tHF增加到1.5、2.0和3.0 min時(shí)，觀察到明顯的雙層結(jié)構(gòu)。當(dāng)tHF = 1.5分鐘時(shí)，微錐體(第一層)和壁狀結(jié)構(gòu)(第二層)的高度為15.1和11.8米，當(dāng)tHF = 2.0分鐘時(shí)，為9.9和8.1米，當(dāng)tHF = 3.0分鐘時(shí)，為3.1和8.6米。因此，對(duì)于1.5、2.0和3.0 min的tHF，第一層和第二層之間的高度差分別為3.3、1.8和5.5 m。在tHF = 1.5 min時(shí)獲得最大的第二層壁狀結(jié)構(gòu)。在tHF = 3.0 min時(shí)，獲得了一種特殊的結(jié)構(gòu)，其中微錐小于壁結(jié)構(gòu)。從掃描電鏡圖像的細(xì)節(jié)可以看出，二氧化硅層在氫氧化鉀蝕刻過程中消失，留下其覆蓋的硅完全開放，用于氫氧化鉀蝕刻，這導(dǎo)致微錐體收縮。然而，壁狀結(jié)構(gòu)在所有蝕刻過程中都是穩(wěn)定的，顯示出強(qiáng)而寬的壁結(jié)構(gòu)。因此，我們可以得出結(jié)論，兩層復(fù)雜結(jié)構(gòu)是根據(jù)兩個(gè)掩蔽層產(chǎn)生的:第一二氧化硅掩蔽層和第二殘留物掩蔽層是由氫氧化鉀和硅的反應(yīng)產(chǎn)物在開放區(qū)域的快速積累產(chǎn)生的。
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總結(jié)
? ? ? 在這項(xiàng)工作中，我們?cè)O(shè)計(jì)了用于在二氧化硅作為掩模層的硅襯底上制作微錐體的微圖形。通過在HF溶液中控制蝕刻以在大約5 m處打開蝕刻進(jìn)入孔，已經(jīng)獲得簡(jiǎn)單的單層微錐體。通過在HF溶液中過蝕刻襯底，獲得了由第二層壁狀結(jié)構(gòu)包圍的第一層微錐體的兩層復(fù)雜結(jié)構(gòu)。由于正方形圖案的尺寸在15至150米的范圍內(nèi)，且具有5米的間隙距離，因此在廣泛的制造條件下已經(jīng)獲得了可再現(xiàn)的雙層結(jié)構(gòu)。作為例子，當(dāng)HF蝕刻時(shí)間大于1.5 min時(shí)，出現(xiàn)50 μm ~ 50 μm的具有5 m間隙的兩層微錐。隨著HF中蝕刻時(shí)間的增加，第二層壁狀結(jié)構(gòu)的寬度和高度增加，而第一層微錐的高度和寬度減小。KOH精礦對(duì)壁狀結(jié)構(gòu)尺寸影響不大；然而，由于平面選擇性和蝕刻速度，它確實(shí)影響微錐體的形狀。殘留物掩蔽層堅(jiān)固穩(wěn)定，可承受長(zhǎng)時(shí)間的氫氧化鉀蝕刻。對(duì)于留下較少二氧化硅的長(zhǎng)時(shí)間HF蝕刻，第二層掩?？梢栽贙OH溶液中長(zhǎng)時(shí)間蝕刻后誘導(dǎo)反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。利用殘留物作為第二掩模層在硅襯底上制造可控微結(jié)構(gòu)是一種簡(jiǎn)單而有用的方法，它將用于制造各種應(yīng)用于等離子體、微流體和超疏水表面的結(jié)構(gòu)。