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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(lái)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(guò)度蝕刻超過(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)制造。當(dāng)襯底在HF中被過(guò)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(lái)獲得兩層微結(jié)構(gòu)。通過(guò)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(guò)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(wú)關(guān)，也與掩?；蚬饪虇?wèn)題無(wú)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(guò)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(kāi)口隨著蝕刻時(shí)間而變化。通過(guò)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(kāi)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(jiàn)方，間距為5米。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是通過(guò)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(guò)程中消失，留下其覆蓋的硅完全開(kāi)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(guò)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(kāi)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(guò)在HF溶液中控制蝕刻以在大約5 m處打開(kāi)蝕刻進(jìn)入孔，已經(jīng)獲得簡(jiǎn)單的單層微錐體。通過(guò)在HF溶液中過(guò)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)。