本文提出了一種利用原子力顯微鏡(AFM)測(cè)量硅蝕刻速率的簡(jiǎn)單方法，應(yīng)用硅表面的天然氧化物層作為掩膜，通過(guò)無(wú)損摩擦化學(xué)去除部分天然氧化物，暴露底下新鮮硅。因此，可以實(shí)現(xiàn)在氫氧化鉀溶液中對(duì)硅的選擇性蝕刻，通過(guò)原子精密的AFM可以檢測(cè)到硅的蝕刻深度，從而獲得了氫氧化鉀溶液中精確的硅蝕刻速率。

首先，在乙醇中通過(guò)超聲波清洗硅基底，使用原子力顯微鏡，在潮濕空氣（相對(duì)濕度?50%）劃傷二氧化硅尖端后，通過(guò)摩擦化學(xué)去除清潔硅基板表面3×3μm2方形區(qū)域內(nèi)的天然氧化物，如圖1所示，磨損面積的深度為～2nm，超過(guò)了天然氧化硅的厚度，因此，四方形區(qū)域的新鮮底下硅原子被暴露出來(lái)，利用真空中的氮化硅尖端進(jìn)行AFM表面形貌掃描，確定了硅基底表面的方形區(qū)域的表面形貌和方形區(qū)域的深度d0。

圖1

第二，經(jīng)過(guò)初始表面形貌掃描后，將處理后的硅襯底在室溫下用一定pH的制備的氫氧化鉀溶液中浸泡一定時(shí)間，硅(Si-100)的蝕刻率是氧化硅的185倍，而低濃度氫氧化鉀溶液中氧化硅的蝕刻率極低。因此，在短時(shí)間內(nèi)，氫氧化鉀溶液幾乎無(wú)法蝕刻天然氧化硅，但暴露的新鮮底下硅可以明顯地蝕刻，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，取出硅襯底，然后用超純水沖洗，然后，通過(guò)AFM掃描蝕刻后的硅襯底表面，得到四方形面積的深度d1。

最后，在氫氧化鉀溶液中蝕刻后，可以估計(jì)硅面積的蝕刻深度，蝕刻深度Δd為d0與d1之間的差值(Δd=d1?d0)，在硅襯底的蝕刻后，立即記錄了蝕刻時(shí)間t，因此，得到了硅的蝕刻速率Re，即Re=Δd/t，為了獲得更精確的蝕刻速率，對(duì)每個(gè)氫氧化鉀溶液重復(fù)上述測(cè)量過(guò)程至少三次，并將所有蝕刻速率值平均得到硅的最終蝕刻速率。

用不同的pHs對(duì)氫氧化鉀溶液中硅的蝕刻：為了驗(yàn)證該方法的可行性和有效性，應(yīng)測(cè)量氫氧化鉀溶液中硅的蝕刻速率，利用該方法在室溫下，在五種pH值不同的氫氧化鉀溶液中蝕刻硅，pH值表明，氫氧化鉀溶液濃度相對(duì)較低(5×10?4mol/L-0.1mol/L)，pH值與氫氧化鉀調(diào)整泥漿一致，確保硅化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)。因此，在這些氫氧化鉀溶液中，硅的蝕刻特性不僅證實(shí)了所提出的新方法，而且可能對(duì)研究硅CMP的蝕刻行為具有重要意義，通過(guò)去除硅襯底表面的方形區(qū)域中的天然氧化物，并在氫氧化鉀溶液中對(duì)暴露的新鮮硅進(jìn)行了蝕刻。

簡(jiǎn)短的測(cè)量示意圖如圖所示2，上行的AFM圖像顯示磨損、未蝕刻區(qū)域的一側(cè)，下行的AFM圖像顯示不同蝕刻時(shí)間t下在不同氫氧化鉀溶液中蝕刻磨損區(qū)域的相應(yīng)一側(cè),蝕刻面積的粗糙度會(huì)隨著氫氧化鉀溶液的pH值的增加而增加，由于空氣中溶解的二氧化碳，氫氧化鉀溶液的pH值可能隨著蝕刻時(shí)間的增加而有一定程度的降低。由于pH值在整個(gè)蝕刻過(guò)程中的變化不超過(guò)0.3，因此可能對(duì)硅的蝕刻沒(méi)有顯著影響。為了產(chǎn)生AFM能準(zhǔn)確檢測(cè)到的適當(dāng)?shù)奈g刻深度，該蝕刻時(shí)間應(yīng)適用于每個(gè)氫氧化鉀溶液中的硅的蝕刻。

圖2

除了摩擦化學(xué)去除外，沒(méi)有進(jìn)行任何方法在硅表面制備掩模膜的其他方法，它只用于去除部分天然氧化物以暴露新鮮的底層硅,氧化硅的蝕刻速度是氫氧化鉀對(duì)硅的185倍，在低堿pH值的氫氧化鉀溶液中蝕刻速率較低。因此，利用天然氧化物作為掩膜，可以實(shí)現(xiàn)硅襯底上硅的選擇性蝕刻。

在之前的原子力顯微鏡研究中，硅在原子力顯微鏡上對(duì)二氧化硅微球進(jìn)行了微/納米耳測(cè)試，以檢測(cè)硅的磨損行為,當(dāng)在潮濕的空氣和水中進(jìn)行磨損試驗(yàn)時(shí)，摩擦化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致了硅表面的物質(zhì)去除,透射電子顯微鏡對(duì)硅表面磨損區(qū)域的觀察表明，磨損區(qū)域下的硅原子和晶格保持了其完整性。因此，硅的結(jié)構(gòu)沒(méi)有受到破壞。在上述研究的基礎(chǔ)上，可以在不破壞硅襯底表面的天然氧化物而去除硅襯底表面的天然氧化物，從而確保硅襯底表面的光滑蝕刻。

在其他氫氧化鉀溶液(pH分別為10.7、12和12.5)中進(jìn)行相同的測(cè)量過(guò)程,由于實(shí)驗(yàn)誤差，每個(gè)測(cè)量結(jié)果之間的差異可能會(huì)出現(xiàn)在重復(fù)測(cè)量過(guò)程中,pH為11.4的氫氧化鉀中硅的刻蝕深度較淺，蝕刻時(shí)間長(zhǎng)，三個(gè)測(cè)量步驟的蝕刻深度Δd分別為0.4、0.4和0.3nm,每次蝕刻時(shí)間為30min,因此，平均蝕刻速率約為0.012nm/min,盡管蝕刻速率較低，但AFM可以精確地檢測(cè)到蝕刻深度，并得到了蝕刻速率。

在之前的研究中，我們測(cè)量了氫氧化鉀溶液中的靜態(tài)蝕刻速率作為pH（11-13）的函數(shù)，以研究硅的蝕刻機(jī)理,通過(guò)該方法測(cè)定的硅的蝕刻速率的變化幾乎與之前的靜態(tài)蝕刻速率的變化相一致，從而證實(shí)了該方法的有效性。

綜上所述，在硅表面自然形成的天然氧化物作為掩膜，通過(guò)摩擦化學(xué)去除硅襯底表面的部分天然氧化物會(huì)產(chǎn)生硅的選擇性蝕刻,利用原子力顯微鏡，氫氧化鉀溶液中硅的蝕刻率。這些特征表明，所提出的測(cè)量硅蝕刻速率的方法具有合理的創(chuàng)新性。

最后通過(guò)提出簡(jiǎn)單、低成本的氫氧化鉀溶液中硅蝕刻速率的測(cè)定方法，硅襯底表面的天然氧化物作為掩膜，以實(shí)現(xiàn)硅的選擇性蝕刻。在該方法中，通過(guò)對(duì)原子力顯微鏡上的二氧化硅微小的摩擦化學(xué)反應(yīng)，部分去除硅襯底上的天然氧化物，去除過(guò)程不會(huì)破壞底下硅的結(jié)構(gòu)。因此，新鮮的底下硅可以平滑地暴露和蝕刻，通過(guò)對(duì)AFM的原子精度測(cè)量，可以檢測(cè)到硅的超淺蝕刻深度，這可以在低堿pH（或超低濃度）的氫氧化鉀溶液中獲得蝕刻速率，該方法可以提供一種新的、簡(jiǎn)單的測(cè)量某些材料蝕刻速率的概念，并確保材料蝕刻工藝設(shè)計(jì)所需的蝕刻速率的高精度測(cè)量。

　　審核編輯：湯梓紅