干法刻蚀和湿法刻蚀制备硅微尖的比较

干法刻蚀和湿法刻蚀制备硅微尖的比较
王维彪　金长春　赵海峰
王永珍　殷秀华　范希武
(中国科学院长春物理研究所,长春　130021)
梁静秋　姚劲松
(中国科学院长春光学精密机械研究所,长春　130022)
摘要 主要研究了用干法刻蚀和各向同性湿法刻蚀的方法在〈100〉晶面和〈111〉晶面的单晶硅衬底上制备硅微尖.结果表明干法刻蚀和〈111〉晶面的硅衬底各向同性湿法腐蚀容易制备出顶端曲率半径比较小的硅微尖,通过实验,最后得到曲率半径10～20nm 的硅微尖.
关键词　硅微尖,冷阴极,干法刻蚀,湿法刻蚀
1　引 言
硅微尖场发射阵列是真空微电子器件的重要电子源,在FED 及微电子器件中有着广泛的应用前景.由于它和微电子集成工艺兼容,硅工艺成熟,从而得到人们的重视.自从H .F .Gray 制备出硅微尖阵列[1],现已发展了多种方法制备硅微尖阵列,比较典型的有干法刻蚀和湿法刻蚀.我们研究了干法刻蚀和湿法刻蚀两种方法对硅微尖的形成及顶端曲率半径的影响,以及用不同直径的图形刻蚀硅微尖时的形状及对硅微尖的纵横比(asp ect 2rati o )的影响.
2　硅微尖的制备过程
实验选用单面抛光〈111〉和〈100〉晶向的单晶硅衬底,电阻率分别为138 c m 和108
c m .衬底经过氧化、光刻腐蚀后进行干法刻蚀和湿法刻蚀
.干法刻蚀:采用的设备为磁控反应离子刻蚀机.所用的气体为SF 6和O 2气的混合气体,压强为:13Pa ,功率为:100W ,频率为:13.56M H z
.湿法刻蚀:采用的腐蚀剂为H F HNO 3 H 2O =1.5 15 5的混合液.将样品放入溶液中进行刻蚀,时间根据需要确定.刻蚀出的微尖样品用扫描电镜(SE M )进行观察.
3　结果和讨论
制备硅微尖的毛坯形状对硅微尖的质量有很大的关系,只有凹面的原坯才可以制备出顶端曲率半径比较小的硅微尖.对于干法刻蚀来说,制备具有凹面的硅尖原坯,晶面的选择对原坯的形状影响不大.对于湿法刻蚀,晶面的选择对原坯的形状影响很大.为了用湿法刻蚀制备具有凹面的硅尖原坯,我们选择了〈111〉面单晶硅衬底制备硅微尖.
1)干法刻蚀制备硅微尖所用〈100〉晶向的单晶硅作衬底,其工艺过程如下图1所示.干法刻蚀的腐蚀机理比较复杂,它既有化学反应又有物理的过程,纵向反应速率和横向反应速率的选择很重要.如果横向反应速率大了,则刻蚀出的硅尖原坯高度不够,影响其纵横比,而且经氧化腐蚀后制备出的硅尖的曲率也不理想.
第19卷　第3期
发　光　学　报V o l.19,N o.31998年9月 CH I N ESE JOU RNAL O F LUM I N ESCEN CE Sep t.,1998
图1　干法刻蚀制备硅微尖的工艺示意图
F ig .1　T he cou rse illu strati on of Si 2ti p s fab ricati on by dry etch ing .
我们知道,硅尖高度小,减小了绝缘层厚度,使栅极和衬底之间的电容加大,击穿电压阈值降低,使栅极加电压受到限制.所以选择腐蚀很重要.我们选择纵向腐蚀速率大于横向腐蚀速率,增大硅微尖的原坯高度,以便于提高硅尖的纵横比,如图2所示的硅尖原坯是提高纵向刻蚀速率和减小Si O 2掩膜直径后制备的.图3是硅尖原坯经过氧化、腐蚀后制备出的硅尖照片,尖端曲率半经约为10～20nm .
2)各向同性湿法刻蚀制备硅微尖的工艺如图4所示
.
图2　干法刻蚀制备硅尖原坯的扫描电镜照片
F ig .2　T he SE M i m age of Si 2ti p o riginal shape
fab ricated by dry etch ing
.图3　干法刻蚀制备的硅微尖F ig .3　T he i m age of Si 2ti p fab ricated by dry etch ing
.
图4　湿法刻蚀制备硅微尖的工艺示意图 F ig .4　T he cou rse illu strati on of Si 2ti p fab ricati on
by w et etch ing .对于湿法各向同性刻蚀,由于腐蚀速率在纵向和横向比上难以调控,同时也考虑到制备带栅极硅冷阴极的需要,将Si O 2图形的直径设为3微米,比上面干法
刻蚀的直径大些.图5是在腐蚀剂
H F HNO 3 H 2O =1.5 15 5中一步腐蚀成的硅微尖.用高分辨扫
描电镜观察硅微尖的顶端曲率半径约为10～15nm ,高度约为1.4Λm .3
72第3期王维彪等:干法刻蚀和湿法刻蚀制备硅微尖的比较　
图5　湿法刻蚀制备的硅微尖
F ig.5　T he SE M i m age of Si2ti p fab ricated
by w et etch ing.
从上面的实验可以看出,选择好腐蚀剂和硅衬底的晶向,湿法刻蚀也能制备出顶端曲率半径很小的硅微尖.
我们用干法刻蚀和湿法刻蚀的方法,制备出顶端曲率半径都比较小的硅微尖.干法刻蚀具有刻蚀速率可以调控、对晶面方向无要求、Si O2掩膜直径可以较小等优点,可以制备高质量、高密度的硅微尖冷阴极.对于湿法刻蚀制备硅微尖来说,如图中掩膜直径比较大,但这对在硅微尖上覆盖金刚石或其它材料有利.在制备工艺上,湿法刻蚀可以省去中间的氧化过程,直接进一步腐蚀即可制备出顶端曲率半径很小的硅微尖.其缺点是对衬底晶向及Si O2掩膜直径有要求.我们
认为,干法刻蚀比湿法刻蚀在制备高质量、高密度带栅极硅冷阴极更有利、更方便.
参　考　文　献
[1]Gray H F,Camp isi G J,Greene R F.IEDM T ech.D ig.,1986,776.
[2]M arcus R B,R avi T S,Gm itter T et al,A pp l.Phys.L ett.,1969,56(3):236.
[3]黄庆安.硅微机械加工技术,科学出版社,1995,11.
THE COM PAR IS ON OF Si-T IP FABR I CAT I ON M ETHOD S BET W EEN D RY ETCH ING AND W ET ETCH ING
W ang W eib iao　J in Changcun　Zhao H aifeng
W ang Yongzhen　Y in X iuhua　Fan X i w u
(Chang chun Institu te of P hy sics,Ch inese A cad e my of S ciences,Chang chun130021)
L iang J ingqiu　Yao J in song
(Chang chun Institu te of Op tics and F ine M echanics,Ch inese A cad e my of S ciences,Chang chun130022)
Abstract
W e fab ricated Si2ti p s by dry etch ing〈100〉Si2sub strate and by one step w et chem i2 cal etch ing〈111〉Si2sub strate in so lu ti on of H F HNO3 H2O=1.5 15 5.T he radii of Si2ti p s’top abou t10～20nm w ere go tten after exp eri m en t.
Key word　Si2ti p,co ld cathode,dry etch ing,w et etch ing
472　发 光 学 报第19卷。