使用酸性溶液对硅晶片进行异常各向异性蚀刻

介绍

在本文中，我们首次报道了实现硅111和100晶片的晶体蚀刻的酸性溶液。通过使用六氟硅酸(也称为氟硅酸)和硝酸的混合物，获得暴露出各种面外111平面的硅111的晶体蚀刻。本文描述了用于该研究的溶液的化学组成，随后是使用电子和光学显微镜获得的结果。蚀刻的机理，虽然没有完全理解，将在下面的章节中讨论。

氢氟硅酸H2SiF6用于沉积二氧化硅，在二氧化硅中发现其蒸汽含有过量的四氟化钠，四氟化钠与水结合会产生二氧化硅。在更具体的应用中，这种酸用于薄膜光波导或硅金属氧化物半导体太阳能电池中使用的氟化氧化硅的液相沉积LPD。在饱和H2SiF6中的阳极氧化也是这种太阳能电池中LPD的一种替代方法。另一种可能的应用是通过电沉积方法沉积非晶硅薄膜，得到高电阻率的硅膜。氟硅酸也有工业应用，如cap蚀刻剂和磷酸净化。

实验过程与结果

在图1111和100取向硅晶片的蚀刻速率与22℃时H2SiF6与硝酸的比率分别在a部分和b部分绘制。虽然仅仅硝酸不会侵蚀硅，但是加入适量的H2SiF6会导致相当大的去除率。如图所示，从溶液中省略硝酸也停止了蚀刻过程，因为它在蚀刻过程中起到了氧化剂的作用。观察到在浓度为5∶2的H2SiF6和硝酸的Si111晶片中，获得了2 m/h的蚀刻速率；然而，通过将温度从22℃提高到50℃，可以实现高达10–15m/h的蚀刻速率。在较低的H2SiF6与硝酸的比例下，蚀刻变得不太各向异性，而在10:1的值下，各向异性变得更明显。通过降低温度，各向异性增加。

图1 对于a 111和b 100硅晶片，在22℃下蚀刻速率与H2SiF6与硝酸的比率的关系

我们还通过将蚀刻的样品浸入60°C的8M氢氧化钾中，研究了演化特征的晶体学。经过长时间的曝光，特征保持不变，表明侧壁均为111平面，与理论预测一致。图6显示了一个首先在酸性溶液中处理的矩形开口的显微照片图像，该开口的矩形形状被修复成一个六角形的开口。然后在上述条件下将样品浸入氢氧化钾中，六角形形状保持完整。由于氢氧化钾对h2sif6/hno3酸性溶液具有更高的选择性，因此侧壁呈锐化现象。

图6 首先在酸性溶液中处理的Si111晶片中的矩形掩模开口的SEM照片，并且矩形开口变为六边形开口。然后将样品在60℃的氢氧化钾8 M溶液中浸泡较长时间。晶体侧壁保持不变，与它们是111壁的预测一致。

通过利用这种酸性溶液，可以实现光子器件和波导的制造，而不需要预蚀刻反应步骤。这种器件是用111取向的硅晶片制造的，在那里可以生产非常薄的光滑薄膜

结论

总之，我们研究了硅111和100晶片在特殊酸性溶液中的各向异性蚀刻，其中氢氟酸成分被氟硅酸代替。新氟离子或氢氟酸的产生被认为在硅晶片表面的溶液中加速。根据蚀刻时间和条件，观察到六边形或三角形结构的晶体学特征。三角形似乎占主导地位，分形结构占优势。由于这种结构在任何放大倍数下都能保持其形状，因此在多孔硅应用中可能会引起人们的注意。在形成山丘的地方，凸角保持完整，角的圆度很小。需要进一步研究蚀刻化学，以了解111和100晶片的蚀刻机理，并制造纳米分形结构。