TMAH溶液對硅得選擇性刻蝕研究

我們?nèi)A林科納研究了TMAH溶液中摩擦誘導選擇性蝕刻的性能受蝕刻溫度、刻蝕時間和刮刻載荷的影響，通過對比試驗，評價了硅摩擦誘導的選擇性蝕刻的機理，各種表面圖案的制造被證明與控制尖端痕跡劃傷。

蝕刻時間和溫度對選擇性蝕刻的影響

當金剛石尖端劃傷硅表面時，劃傷區(qū)域發(fā)生晶格變形，形成非晶態(tài)層和扭曲結(jié)構，以及硅氧化物，由于晶體硅的蝕刻率遠高于劃傷區(qū)域，因此從劃傷的痕跡中可以產(chǎn)生突出的山丘或納米結(jié)構，圖1顯示了蝕刻溫度對在10uN的施加載荷下由劃痕引起的納米結(jié)構形成的影響。一般來說，在不同的溫度下蝕刻30秒會導致小山丘的形成，當溫度為25°C時，選擇性蝕刻在15分析內(nèi)形成突出的山丘，而在35°C及以上，5分析時沒有選擇性蝕刻，結(jié)果表明，在相同的蝕刻時間下，溫度越高蝕刻速度越快。

在不同溫度下，山丘高度與不同溫度下蝕刻時間的函數(shù)，如圖2所示。結(jié)果表明，在1min范圍內(nèi)，高度隨著溫度升高到50°C而增加，由于氧化硅和TMAH之間的快速化學反應在高溫下，5分鐘的蝕刻導致丘的崩潰，和選擇性蝕刻沒有觀察到溫度高于50°C。因此，選擇性蝕刻持續(xù)更長時間，即使低溫導致蝕刻率相對較低，結(jié)果表明，低溫即25°C，促進了可控的選擇性蝕刻。

從圖1和圖2的結(jié)果可以看出，在TMAH溶液中選擇性蝕刻時間對硅表面突出丘的高度有明顯的影響，在25°C時進一步研究了山丘高度的蝕刻時間變化，隨著蝕刻時間從0增加到8分鐘，山丘高度迅速增加，最大高度達到136納米，預計新形成的山丘的頂部材料，這是傾斜的結(jié)i（111）平面兩側(cè)的丘，有高化學活動，和山頂部將迅速蝕刻，導致丘的消失長時間蝕刻，因此，本研究采用8分鐘作為納米制備的最佳蝕刻時間。

在TMAH溶液中選擇性蝕刻對硅表面的納米定位

摩擦誘導選擇性蝕刻是一種用于表面圖案化和制造的低成本且靈活的方法，應該注意的是，基于掃描探針顯微鏡(SPM)的通過直接刮擦的納米制造需要高的法向載荷或壓力，這可能導致尖端容易磨損，即使是金剛石尖端也是如此，相比之下，只要在劃痕過程中發(fā)生氧化或晶體變形，就可以實現(xiàn)選擇性刻蝕，并且劃痕所施加的法向載荷對制造的影響極小，換句話說，通過摩擦誘導選擇性蝕刻的制造對所使用的尖端造成較少的磨損，此外，用TMAH蝕刻可以產(chǎn)生高質(zhì)量的表面。在相同的刻蝕時間后，用TMAH溶液刻蝕后的硅表面比用KOH刻蝕后的硅表面光滑得多，在TMAH溶液中通過摩擦誘導選擇性刻蝕在Si(100)上產(chǎn)生的不同圖案，這將有助于在光學基底和微通道上產(chǎn)生形狀可控的圖案。

當采用傳統(tǒng)的SPM掃描技術進行表面光刻時，由于基底材料的塑性變形接觸壓力高，SPM尖端很容易磨損，相比之下，摩擦誘導選擇性蝕刻可以制作高丘或深通道，在低載荷下實現(xiàn)，減少了SPM尖的磨損，還需要注意到，摩擦誘導的選擇性刻蝕所產(chǎn)生的山丘高度幾乎與施加載荷無關，這可以避免施加載荷差異對制造結(jié)果的影響，這是有意義的設計納米微通道，現(xiàn)場控制模式分子束外延(MBE)形成高質(zhì)量的光學結(jié)構，因此，所提出的研究可以豐富SPM基納米光刻技術的基本方面，并為生產(chǎn)各種應用的納米結(jié)構提供了一種替代方法。

通過原子力顯微鏡(AFM)在2 um ×2 um的面積上測量表面均方根(RMS)粗糙度為約0.10nm，使用市售TMAH溶液進行蝕刻，制作前將硅片切割成約1 cm ×1 cm的正方形，然后將樣品浸入5 wt% HF溶液中5分鐘，以蝕刻掉天然Si氧化層，用于進一步測試。

本文研究了TMAH溶液中硅表面的摩擦誘導選擇性蝕刻技術，用于制備納米結(jié)構，本研究的主要結(jié)論總結(jié)如下：

(1)在TMAH溶液中，硅表面的機械劃痕區(qū)域可以作為抗腐蝕的掩模。

(2)摩擦誘導選擇性腐蝕形成的小丘依賴于溫度和腐蝕時間，選擇性腐蝕速率隨著溫度的升高而增加，而選擇性腐蝕隨著腐蝕時間的增加而消失，相比之下，在硅片上施加的垂直劃痕載荷對TMAH溶液中選擇性腐蝕產(chǎn)生的小丘高度影響很小。

（3）除了氧化硅，晶體畸變和無定形硅也能抵抗TMAH腐蝕，基于所提出的機理，通過摩擦誘導選擇性刻蝕可以實現(xiàn)低成本、靈活的硅表面圖形化和制作方法。

審核編輯：符乾江