中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 电流密度对电化学刻蚀硅微通道壁厚的影 响 5 10 王云龙，王国政，杨继凯，崔丹丹，端木庆铎** （长春理工大学 理学院，吉林长春 130000） 摘要：电化学刻蚀过程中如何有效控制微通道壁厚，保证硅微通道阵列能等径生长，是一个 值得研究的问题。本文基于电化学腐蚀原理，通过一个对比实验，改变刻蚀的电流密度，观 察刻蚀完成后通道壁厚情况，研究了电流密度对硅微通道壁厚情况的影响。通过实验，我们 改善了通道壁厚不均匀的情况，侧蚀严重区域从 70μm 下降到了 30μm，得到了壁厚更加均 匀的硅微通道结构。 关键词：电化学；硅微通道；微通道壁厚；电流密度 中图分类号：TN223 15 Influence of Current Density on Electrochemical Etching of Silicon Microchannel Plates Pore Wall Thickness WANG Yunlong, WANG Guozheng, YANG Jikai, CUI Dandan, DUANMU Qingduo 20 25 (School of Science, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130000) Abstract: The fabrication of trenches with uniform pore wall thickness is one of the most important problems in electrochemical technology. Based on the principle of electrochemical etching, we designed a contrast experiment by changing the current density, then observed the wall thickness after etching. Studied the influence of current density on electrochemical etching process for silicon microchannel plates pore wall thickness. Though the experiment, side etching region decreased from 70μm to 30μm, improve the process and make a more uniform pore size silicon microchannel structure) Key words: Electrochemical etching; Silicon microchannel plates; Pore wall thickness; Current density 30 0 引言 电化学加工工艺是根据阳极溶解的相关工艺而改造并加以创新的一种减材技术。1834 年英国著名的物理学家法拉第发现了阳极溶解的基本规律---法拉第电解定律[1]。微通道结构 的制备是在多孔硅结构制备的基础之上而发展起来的，多孔硅按其孔径尺寸可分为宏孔硅， 孔径大于 50nm；中孔硅，孔径介于 2-50nm；微孔硅，孔径小于 2nm[2]。我们在这里制备的 硅微通道阵列结构属于宏孔硅。 35 1956 年，当 Uhlir 在进行锗的电化学修饰时意外发现在阳极氧化的硅片上生长有一种不 光滑的黑、棕色或红色的沉积物，当时他认为这种物质是硅的低价氧化物。不久之后 Fuller 和 Ditzenberger 用 HF/HNO3 溶液在没有加任何电压的情况下获得了类似的物质，随后 Turner 对阳极氧化生长多孔硅薄膜进行了系统研究并发现当电流密度大于某一确定值时反应为电 40 化学抛光，而当电流密度小于这一关键值时有一层厚的橘红色玻璃般透明的膜形成，他推断 这种物质为 SiFx。在 1956 年到 1989 年间，单晶硅的电化学蚀刻研究大多着重于晶圆的抛 作者简介：王云龙（1990-），男，硕士研究生，成像电子器件与系统 通信联系人：端木庆铎（1956-），男，吉林长春人，教授，博士生导师，博士，主要从事光电成像器件与 系统、 光电子材料与器件等方面的研究. E-mail: duanmu@cust.edu.cn - 1 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 光减薄、n 型单晶硅多孔层中的形成机理探讨及其相关应用，直到 1990 年 Lehmann 用电化 学蚀刻技术在实验室做出第一个排列整齐的高密度大孔硅阵列[3]。 实现对硅微通道壁厚的控制，保证微通道壁厚尺寸均一、结构完好对于后续的微光夜视 45 器件制备有着重大意义，完整、有序、均一的微通道阵列是理想的微光夜视器件制备基础结 构。 1 实验过程 实验中，硅基底选用<100>晶向的 n 型硅片，电阻率 ρ=7-10 Ω•cm，厚度为 390μm，事 先经过加工制备诱导坑（如图 1）。 50 图 1 诱导坑制备工艺流程示意图 Fig1 Flow diagram of initial pits array process 利用三电极电解槽刻蚀系统（图 2），安装固定硅片为工作电极，辅助电极由 25cm2Pt 55 丝网制备而成，参比电极选用饱和甘汞电极[4]。 图 2 电化学反应槽剖面图 Fig 2 Sectional view of electrochemical reaction tank 60 腐蚀液是去离子水稀释的 HF（5wt%）溶液，实验都是在 300K 温度下进行的，背部用 LED 阵列提供光照，波长 850nm，红外波段，刻蚀电压为 0.3-0.15V，使用不同电流密度（分 别为 30 mA/cm2 和 20 mA/cm2）刻蚀 13 小时，刻蚀过程由 PARSTAT 2273 电化学综合测试 系统控制[5]。电化学实验具体实验过程如图 3。 - 2 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 65 图 3 电化学实验操作流程示意图 Fig 3 Flow diagram of electrochemical experiments 将刻蚀完成后的样品沿<100>晶向切开，用 SNE 4500M 型扫描电子显微镜观察通道剖 面情况（如图 4、图 5），并量取部分区域的壁厚值。 70 2 结果分析与讨论 2.1 不同电流密度下孔壁厚度对比 图 4（b）可以看出，刻蚀初期，孔壁侧蚀情况非常严重，开口处壁厚仅为 1μm，孔径 变化很大，刻蚀到 50μm 左右深的时候，壁厚变化减小，刻蚀到 70μm 深度后，壁厚不发生 变化（如图 4（c））。 75 图 4 电流密度 30 mA/cm2 刻蚀 SEM 图；（a）通道剖面图（b）通道开口段（c）通道中间段（d）通道 Fig 4 SEM image of 30 mA/cm2 current density（a）Sectional view of pore（b）Entry of the pore（c）Middle of the pore（d）Bottom of the pore 末段 - 3 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 80 图 5 电流密度 20 mA/cm2 刻蚀 SEM 图（a）通道剖面图（b）通道开口段（c）通道中间段（d）通道 Fig 5 SEM image of 20 mA/cm2 current density（a）Sectional view of pore（b）Entry of the pore（c）Middle of the pore（d）Bottom of the pore 85 图 5（b），刻蚀深度超过 5μm 之后，壁厚的变化开始减小，刻蚀 10μm 之后壁厚的变化 末段 很小，刻蚀到 30μm 之后，壁厚不发生变化（图 5（c））。 做出正面壁厚与背面壁厚比值随通道深度变化的示意图（图 6）。 图 6 正面壁厚与背面壁厚比值随通道深度变化示意图（a）电流密度 30 mA/cm2（b）电流密度 20 mA/cm2 Fig 6 Ratio of front and back pore wall thickness with length of channel（a）30mA/cm2 current density（b） 90 2.2 不同电流密度对硅微通道壁厚的影响 20 mA/cm2 current density 从图 6（a）可以看到，在大电流密度下作用下，刻蚀开始时，正面壁厚与背面壁厚的 比值很小，开口端孔壁很薄，说明正面与背面壁厚的差异很大，直到通道深度到 70μm 后壁 95 厚值才不发生变化，图 6（b）中可以看到，在小电流密度作用下，仅在刻蚀开始时，存在 - 4 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 正反面壁厚差异很大的情况，刻蚀深度超过 5μm 之后，壁厚的变化就开始减小，刻蚀到 30μm 之后，壁厚不发生变化。分析原因，有以下两点： （1）Lehmann 提出过一个关于孔径 d 大小的公式 100 （1） 其中，i 为硅微通道阵列重复周期的长度，J 为电流密度， JPS 为临界电流密度[6]。 （2） 其中，C=3300A/cm2 为常数，Ea=0.345eV 为反应激活能，K=1.38×10-23 J/K，c 为 HF 溶 液浓度（5wt%），T 为溶液温度（300K）[7]。 105 在实验中，我们使用了不同大小的电流密度，由公式（1）可知，电流密度 J 越大，孔 径 d 越大，孔壁越薄。 （2）对比图 4（b）图 5（b）分析，在电化学刻蚀硅微通道的过程中，由于 n 型硅只有 少数的载流子为空穴，在刻蚀过程中需要提供光照，使硅的上表层产生电子-空穴对。 由于背部光照提供了空穴参与刻蚀，高电流密度下，空穴在孔底集聚，孔尖端处具有更 110 高的场强，易于收集空穴，若空穴多于可消耗的量，其中部分空穴会向孔壁扩散，促进孔壁 的侧蚀，使孔径增大，孔壁变薄。随着腐蚀反应的进行，孔与孔之间的孔壁厚度减小，当孔 壁被腐蚀到一定程度以至于接近禁带宽度时，对孔壁的侧蚀停止，反应只向纵深方向进行。 低电流密度下，孔尖端首先被溶解，背面扩散过来的空穴都在孔尖被消耗，这样孔壁没有空 穴的聚集，溶解只在孔底发生，而孔壁由于没有空穴，侧蚀效应减小，反应只向纵深方向进 115 行。我们优化电流密度后，侧蚀严重区域从 70μm 下降到了 30μm，效果很明显。 3 结论 本文给出了不同刻蚀电流密度下通道壁厚情况对比及分析，通过改变刻蚀的电流密度， 观察了刻蚀完成后通道壁厚的情况，研究了电流密度对硅微通道壁厚的影响。通过调整刻蚀 的电流密度，我们改善了通道壁厚不均匀的情况，侧蚀严重区域从 70μm 下降到了 30μm， 120 优化了电化学刻蚀硅微通道工艺，得到了壁厚更加均匀的硅微通道结构。 [参考文献] (References) 125 130 [1] 陆寿蕴. 半导体的化学刻蚀[J]. 化学通报,1993,12:32-35. [2] G Barillaroa AN, Piotto M. Electrochemical etching in HF solution for silicon micromachining[J]. Sensors and Actuators A,2002,102:195-201. [3] Asoh H, Sasaki K, Ono S. Electrochemical etching of silicon through anodic porous alumina[J]. Electrochemistry Communications,2005,7(9):953-956. [4] 于丰源. 硅微通道板电化学微加工等径控制技术研究 [D]. 长春: 长春理工大学, 2014. [5] 王国政，熊峥，王蓟，等. 硅微通道阵列光电化学腐蚀中通道尺寸控制技术[J]. 长春理工大学学报（自 然科学版）,2010,33(3):59-62. [6] Lehmann V. Electrochemistry of Silicon Instrumentation, Science, Materials and Applications[M]. Wiley: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2002: 1-283. [7] Lehmann V. The physics of macropore formation in low doped n-type silicon[J].J Electrochem Soc,1993,140(10):2839 - 2843. - 5 -