氫氧化鉀蝕刻 （KOH）是制造微型器件的一個(gè)重要工藝，用于從硅片上去除材料。選擇性地蝕刻硅片的某些部分，用一層二氧化硅或掩膜來(lái)保護(hù)剩下的部分。然而，殘留物的存在成為這種技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)樗鼤?huì)對(duì)器件的制造過(guò)程產(chǎn)生負(fù)面影響。在這篇博客中，我們提出了一種利用蝕刻殘留物的方法，將其作為后續(xù)蝕刻的掩膜，以制造兩層微結(jié)構(gòu)。我們還提供了如何有效地利用掃描電鏡SEM對(duì)這些微結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像的例子。

KOH化學(xué)硅蝕刻技術(shù)

蝕刻是微加工中一個(gè)非常重要和關(guān)鍵的過(guò)程，在此過(guò)程中，材料通過(guò)蝕刻劑在硅片表面進(jìn)行化學(xué)去除。蝕刻有兩種: 濕蝕刻，蝕刻劑是液體，和干蝕刻，蝕刻劑是等離子體。干蝕刻是各向異性的，因此在蝕刻材料中形成垂直側(cè)壁，如圖1a所示。在另一方面，濕蝕刻劑通常是各向同性，這意味著蝕刻在各個(gè)方向都是均勻的，產(chǎn)生圓壁和削弱效果，如圖1b所示。

KOH是一種液相蝕刻劑，在晶體平面上是各向異性的。因此，它對(duì)硅片的晶體取向很敏感，產(chǎn)生梯形截面腔，如圖1c所示。KOH蝕刻的主要缺點(diǎn)之一是殘留物的沉積，這是由蝕刻劑和被移出材料之間的相互作用所造成的: 是這項(xiàng)技術(shù)zui薄弱的一點(diǎn)。

圖1: 生成的基體橫截面示意圖，(a) 各向異性的侵蝕，(b)一個(gè)*各向同性的侵蝕，(c)一個(gè)濕蝕刻的各向異性腐蝕劑

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在zui近出版的一篇文章中，Han Lu et al. 描述了他們對(duì)用KOH 方法硅的單步各向異性濕蝕刻所制備兩層微結(jié)構(gòu)的研究。這可以通過(guò)在隨后的KOH蝕刻中的殘留物作為掩膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，不同的微觀結(jié)構(gòu)可以用KOH蝕刻制作。(Micromachines 2016, 7, 19; doi:10.3390)

在a - b中，由KOH蝕刻制作的單層微金字塔，在c - d兩層的微金字塔中，KOH蝕刻使用殘留物作為第二掩膜層。在這兩種情況下，硅片上都覆蓋著二氧化硅層。這是由光學(xué)光刻技術(shù)，使用氫氟酸蝕刻產(chǎn)生的。二氧化硅層作為之后KOH蝕刻步驟的掩模。在圖2的右側(cè)，蝕刻步驟的殘留物被用作制造兩層微結(jié)構(gòu)的掩模。

圖2:  (a) 和 (b) 沒(méi)有殘留物作為第二蝕刻掩膜，(c )和（d）有第二蝕刻掩膜的制備工藝流程和SEM 成像

通過(guò)掃描電鏡成像觀察不同的微結(jié)構(gòu)

通過(guò)調(diào)整一些蝕刻參數(shù)，例如時(shí)間(如圖3所示的SEM圖像)和KOH濃度(如圖4所示)，可以制作出不同形狀的微結(jié)構(gòu)。

在*種情況下，溫度影響到微金字塔的高度和墻壁結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變濃度，微觀結(jié)構(gòu)的形狀從正方形變?yōu)榘私切?，方角變?yōu)榱藞A形。

圖3: 通過(guò) SEM 對(duì)在不同時(shí)間段KOH 蝕刻用殘馀層作為掩模的成像

圖4: 通過(guò)SEM 圖像了解不同濃度的 KOH蝕刻用殘留層作為掩模

從圖2、圖3和圖4中可以看出，掃描電鏡 (SEM) 非常適合對(duì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。它有助于了解單個(gè)因素及其在整個(gè)蝕刻過(guò)程中的影響，從而有助于構(gòu)建微結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸。在范圍內(nèi)，SEM提供了一種強(qiáng)大的方法來(lái)獲得視覺(jué)表征，并通過(guò)調(diào)整制造技術(shù)的參數(shù) (在本例中是KOH蝕刻) ，來(lái)證明微結(jié)構(gòu)的質(zhì)量差異性。