一种孔隙率较高的中阻P型多孔硅薄膜及其快速制备方法与流程

本发明属于电化学腐蚀与硅微结构制备领域，具体涉及一种孔隙率较高的中阻p型多孔硅薄膜及其快速制备方法。

背景技术：

p型多孔硅薄膜是在硼掺杂的单晶硅基底上通过电化学方法腐蚀出来的疏松多孔材料，它是硅在电化学领域一个非常重要的研究内容。因多孔硅薄膜材料具有好的均匀性，高的电阻率、低的热导率、以及大的比表面积等特性，而被广泛作为微机电系统mems器件的功能结构层材料和牺牲层材料来使用，因此引起了研究人员的极大关注。而孔隙率则是衡量多孔硅薄膜物理性能好坏的关键参数，因为孔隙率不但影响多孔硅薄膜的力学性能,还同时影响其绝热性能。所以，获得较高的孔隙率值，不但可以保证多孔硅薄膜具有高的机械强度，同时还可以拥有优良的绝热性能，而这些特性均为mems器件的功能结构层材料和牺牲层材料所必须的。由于p型多孔硅薄膜和mems器件具有更好的结合性和性能稳定性，所以mems器件中的功能结构层材料和牺牲层材料大都选用p型多孔硅薄膜。故研究较大孔隙率的p型多孔硅薄膜的快速制备方法意义重大，而目前的制备速率仍无法满足大规模生产的需要。

目前，较大孔隙率的p型多孔硅制备速率仍然很低，已知在中阻(1-10ω·cm)p型单晶硅上制备孔隙率为85.5％的多孔硅薄膜速率为0.88μm/min；在低阻(0.01-0.02ω·cm)p型单晶硅上制备孔隙率为71.8％的多孔硅薄膜速率为1.93μm/min。已知提高孔隙率可以降低多孔硅薄膜的热导率，但是同时也会导致应力的增加和机械强度的降低，所以需要制备孔隙率在较高范围内的多孔硅薄膜，使其兼备良好的绝热性能和力学性能。有研究表明，mems中应用的多孔硅薄膜的孔隙率多为70％左右，这样能兼备良好的绝热性能和力学性能，所以实现孔隙率在70％左右的p型多孔硅薄膜的快速制备，可以更好地满足在mems器件中的应用需求。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种孔隙率较高的中阻p型多孔硅薄膜及其快速制备方法，快速制备具有较大孔隙率的中阻p型多孔硅薄膜，且所制备的多孔硅薄膜形貌规则，结构均匀，该方法简单易操作，价格低廉，可以保证在高的刻蚀速率下快速制备出适合mems器件应用的空隙率较高的中阻p型多孔硅薄膜，便于大规模批量化生产。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种孔隙率较高的中阻p型多孔硅薄膜快速制备方法，包括以下步骤：

选择材料：选择中阻p型硅片；

制备样品：在p型硅片上设置铝膜，将p型硅片切割成方形硅片；

清洗样品：将切割后的方形硅片进行清洗；

溶液配制：配制电化学腐蚀液，所述电化学腐蚀液包括氢氟酸hf和n,n二甲基甲酰胺dmf，所述氢氟酸hf和n,n二甲基甲酰胺dmf按4:3的体积比混合；

电化学腐蚀：将所述方形硅片放入盛有所述电化学腐蚀液的容器中，施加恒定的电流进行电化学腐蚀，得到p型多孔硅薄膜。

上述方案中，所述选择材料的步骤中p型硅片的电阻率为1-20ω·cm，厚度为525±25μm。

上述方案中，所述制备样品的步骤中铝膜厚度为500nm。

上述方案中，所述清洗样品的步骤具体为：将切割后的方形硅片放入超声波清洗机中，依次用去离子水、酒精、丙酮清洗方形硅片，用氮气枪吹干并密封保存以备用。

上述方案中，所述溶液配制的步骤中在具有通风橱的操作台上使用量筒配制电化学腐蚀液。

上述方案中，所述电化学腐蚀的步骤中施加200ma/cm²的恒定电流，腐蚀时间为3-7min。

进一步的，所述p型硅片的电阻率为1-10ω·cm，腐蚀时间为7min。

进一步的，所述p型硅片的电阻率为10-20ω·cm，腐蚀时间为5min。

上述方案中，还包括以下步骤：

已腐蚀样品清洗：电化学腐蚀结束后，取出方形硅片并用去离子水清洗腐蚀区域，之后用氮气吹干硅片。

一种孔隙率较高的中阻p型多孔硅薄膜，所述孔隙率较高的中阻p型多孔硅薄膜为利用根据所述孔隙率较高的中阻p型多孔硅薄膜快速制备方法制得。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明氢氟酸hf和n,n二甲基甲酰胺dmf的体积比为4:3制得的电化学腐蚀液，以及在大的电流密度和较短腐蚀时间下：200ma/cm²的恒定电流，腐蚀时间为3-7min的条件下，所制备的多孔硅薄膜形貌规则，结构均匀，并且当p型硅片的电阻率为1-10ω·cm，腐蚀时间为7min，或当p型硅片的电阻率为10-20ω·cm，腐蚀时间为5min时，能够快速制备出满足mems器件要求的孔隙率的p型多孔硅薄膜结构。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明电阻率在1-10ω·cm、腐蚀时间3min条件下所制备p型多孔硅薄膜的sem截面图；

图2是本发明电阻率在1-10ω·cm、腐蚀时间7min条件下所制备p型多孔硅薄膜的sem截面图；

图3是本发明电阻率在10-20ω·cm、腐蚀时间3min条件下所制备p型多孔硅薄膜的sem截面图；

图4是本发明电阻率在10-20ω·cm、腐蚀时间5min条件下所制备p型多孔硅薄膜的sem截面图；

图5是本发明电阻率在10-20ω·cm、腐蚀时间7min条件下所制备p型多孔硅薄膜的sem截面图；

图6是本发明不同腐蚀时间条件下的中阻p型多孔硅薄膜孔隙率变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

一种孔隙率较高的中阻p型多孔硅薄膜快速制备方法，包括以下步骤：

选择材料：选择中阻p型硅片，优选的，硅片为[100]晶向的p型单晶硅，电阻率为1-10ω·cm，厚度为525±25μm。

制备样品：在p型硅片上使用磁控溅射仪在非抛光面溅射500nm厚的金属铝膜，以增加欧姆接触；然后用金刚石刀具将硅片分割成1.5×1.5cm的方形硅片。

清洗样品：将切割后的方形硅片依次放入盛有去离子水、酒精、丙酮的烧杯中进行超声清洗，每次时长5min。

溶液配制：在具有通风橱的操作台上使用吸管各取出16ml的氢氟酸hf溶液和12ml的n,n二甲基甲酰胺dmf溶液放入塑料量筒配制电化学腐蚀液。

电化学腐蚀：将所述方形硅片在室温的条件下，优选为18±1℃，放入盛有电化学腐蚀液的阳极氧化装置中，在黑暗环境内进行电化学腐蚀，施加200ma/cm²的恒定电流，腐蚀时间为3、5、7min。

已腐蚀样品清洗：用夹子取出已制备样品，并用去离子水小心冲洗腐蚀区域3min，用氮气吹干硅片并密封保存以备后续检测之用。

实施例2

本实施例2与实施例1的区别在于，将选择材料中的硅片更换为电阻率为10-20ω·cm，厚度为525±25μm的p型单抛硅片，其他条件保持不变。

结果分析

结合图1-6，通过对实施例1和实施例2的实验样品进行形貌表征和数据分析。图1为实施例1中电阻率为1-10ω·cm，时间为3min时所制备p型多孔硅薄膜结构的sem截面照片，腐蚀深度为29μm，制备速率达9.7μm/min，孔隙率为48％。图2为实施例1中时间为7min时所制备p型多孔硅薄膜结构的sem截面照片，腐蚀深度为69μm，制备速率达9.9μm/min，孔隙率为80％。在实施例1中，不改变其他条件，将腐蚀时间缩短至5分钟时，空隙率为63.5％。

图3为实施例2中电阻率为10-20ω·cm，时间为3min时所制备p型多孔硅薄膜结构的sem截面照片，腐蚀深度为62.5μm，制备速率达20.8μm/min，孔隙率为65％。图4为实施例2中时间为5min时所制备p型多孔硅薄膜结构的sem截面照片，腐蚀深度为91μm，制备速率达18.2μm/min，孔隙率为69％。图5为实施例2中时间为7min时所制备p型多孔硅薄膜结构的sem截面照片，腐蚀深度为100μm，制备速率达14.3μm/min，孔隙率为73％。

由sem截面照片，通过本发明所制备的多孔硅薄膜形貌规则，结构均匀，并且当p型硅片的电阻率为1-10ω·cm，腐蚀时间为7min，或当p型硅片的电阻率为10-20ω·cm，腐蚀时间为5min时，能够快速制备出满足mems器件要求的孔隙率的p型多孔硅薄膜结构。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。