多孔硅基底的制备方法及多孔硅基底与流程

本发明涉及mems技术中多孔硅基底材料领域，尤其涉及一种多孔硅基底的制备方法及多孔硅基底。

背景技术：

近些年来，mems(micro-electro-mechanicalsystem)技术的飞速发展得益于其把电子和机械特性结合了起来。由于其能同时发生化学反应、电效应以及实现对热量的感知，使得其可以同时执行物理、化学、生物等方面的功能。

目前，在应用mems技术来实现的传感技术中，通过感知电路产生的热量或利用热辐射作为信号感知途径是其重要的一个分支，这就要求传感器件的基底具有良好的绝热特性、稳定性和工艺兼容性。微热敏传感系统主要由微热敏传感器及其控制电路组成，其主要利用微热敏传感器对温度的灵敏感知原理，对诸如ir(infraredradiation，红外辐射)、uv(ultravioletradiation，紫外辐射)、气体流量、气体成分、高频功率、或血液流动等非电量的物理量进行探测，例如微型加热板，其微热敏传感器为基于微热量差原理的气体流量传感器并将探测到的非电量物理量转变为电量信号，再经过控制电路的处理后输出。

对微热敏传感器的力学设计要求是具有较高的机械强度，重点是支撑膜基底的机械稳定性；热学设计要求则是要解决热响应速率、温度分布均匀性且热导率低方面的问题。现有的mems技术经常需要使用绝热基底来制造器件。目前的工艺通常选择对晶圆的背面进行深硅刻蚀，从而产生局部的悬空结构来进行热绝缘。但是这种工艺存在稳定性差的问题，这是由于敏感膜应力控制不好容易变形破裂，最终导致器件的失效。现有技术中也有利用sio层或sin层来作为绝热层，但隔热效果差，导致热量散失较快，降低热响应速率。也有采用有机聚合物等热导率较低的材料作为绝热层来实现热绝缘，然而非硅材料与ic(integratedcircuit，集成电路)工艺不兼容，这将导致传感器无法推动量产的局限性。

因此，如何使得半导体器件的基底同时具备良好的绝热性能和结构稳定性，是目前亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供一种多孔硅基底的制备方法及多孔硅基底，用以解决现有技术中的半导体器件基底不能同时具备良好的绝热性能和结构稳定性的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种多孔硅基底的制备方法，包括如下步骤：

提供一硅衬底；

对所述硅衬底进行分层电化学腐蚀，以形成沿所述硅衬底的纵向排列的多层多孔性结构，且表层多孔性结构的孔隙率小于或等于其他任一层多孔性结构的孔隙率。

优选的，采用多组不同的腐蚀参数对所述硅衬底进行分层电化学腐蚀，使得形成的多层多孔性结构中至少两层多孔性结构的孔隙率和/或厚度互不相同。

优选的，所述腐蚀参数包括电流密度。

优选的，采用多种不同的电流密度分别对所述硅衬底进行分层电化学腐蚀，且施加于表层的电流密度小于或等于其他层。

优选的，所述腐蚀参数还包括腐蚀时间；采用多种不同的电流密度、以及与每一电流密度对应的腐蚀时间对所述硅衬底进行分层电化学腐蚀。

优选的，采用多组不同的腐蚀参数对所述硅衬底进行分层电化学腐蚀之前还包括如下步骤：

在所述硅衬底表面沉积一层氮化硅薄膜；

对所述氮化硅薄膜进行刻蚀，以形成图形化的掩膜层。

优选的，采用多组不同的腐蚀参数对所述硅衬底进行分层电化学腐蚀的具体步骤包括：

提供一对电极；

采用预设比例的氢氟酸、乙醇和去离子水混合得到刻蚀液；

将所述电极与所述硅衬底置于所述刻蚀液中，并采用多组不同的腐蚀参数对所述硅衬底进行分层电化学腐蚀。

优选的，刻蚀液中氢氟酸、乙醇和去离子水的体积比为v氢氟酸：v乙醇：v去离子水＝(1:1:1)～(1:1:4)。

优选的，采用多组不同的腐蚀参数对所述硅衬底进行分层电化学腐蚀之后还包括如下步骤：

采用去离子水对具有多层多孔性结构的硅衬底进行冲洗；

将经冲洗的所述硅衬底于有机溶剂中浸泡预设时间；

采用干燥气体吹干经浸泡的所述硅衬底，以除去所述硅衬底中残留的有机溶剂。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种多孔硅基底，包括硅衬底，所述硅衬底具有沿其纵向设置的多层多孔性结构，且表层多孔性结构的孔隙率小于或等于其他任一层多孔性结构的孔隙率。

优选的，多层多孔性结构中至少两层多孔性结构的孔隙率互不相同。

优选的，多层多孔性结构包括表层多孔性结构、中层多孔性结构以及底层多孔性结构，且中层多孔性结构的孔隙率高于表层多孔性结构的孔隙率。

优选的，多层多孔性结构中至少两层多孔性结构的厚度互不相同。

优选的，多层多孔性结构包括表层多孔性结构、中层多孔性结构以及底层多孔性结构，且中层多孔性结构的厚度大于表层多孔性结构的厚度。

本发明提供的多孔硅基底的制备方法及多孔硅基底，通过对硅衬底进行分层电化学腐蚀，在所述硅衬底中形成多层多孔性结构，且表层多孔性结构的孔隙率小于或等于其他任一层多孔性结构的孔隙率，使得所述多孔硅基底既能在整体上保持高的孔隙率，又能具有良好的结构稳定性，即在确保良好绝热性能的基础上实现了沉积层的良好覆盖。

附图说明

附图1是本发明具体实施方式的多孔硅基底的制备方法流程图；

附图2是本发明具体实施方式的多孔硅基底的制备方法制备得到的多孔硅基底的结构示意图；

附图3是本发明具体实施方式的电化学腐蚀装置结构示意图；

附图4是本发明具体实施方式的多孔硅基底中多层多孔性结构的扫描电镜图；

附图5是本发明具体实施方式的多孔硅基底中两层多孔性结构交界面的扫描电镜图；

附图6是本发明具体实施方式的多孔硅基底表面形貌扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的多孔硅基底的制备方法及多孔硅基底的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种多孔硅基底的制备方法，附图1是本发明具体实施方式的多孔硅基底的制备方法流程图，附图2是本发明具体实施方式的多孔硅基底的制备方法制备得到的多孔硅基底的结构示意图。如图1所示，本具体实施方式提供的多孔硅基底的制备方法，包括如下步骤：

步骤s11，提供一硅衬底21。所述硅衬底21的物理参数优选为硅片晶向(100)，电阻率0.01ω·cm～0.02ω·cm，且在所述硅衬底21中进行了硼掺杂(b-dropped)。

步骤s12，对所述硅衬底21进行分层电化学腐蚀，以形成沿所述硅衬底21的纵向排列的多层多孔性结构，且表层多孔性结构的孔隙率小于或等于其他任一层多孔性结构的孔隙率。其中，表层多孔性结构是指位于所述硅衬底21用于沉积其他膜层的表面的多孔性结构层；其他层多孔性结构是指多层多孔性结构中除表层多孔性结构之外的多孔性结构层。

优选的，对所述硅衬底21进行分层电化学腐蚀的具体步骤包括：采用多组不同的腐蚀参数对所述硅衬底21进行分层电化学腐蚀，使得形成的多层多孔性结构中至少两层多孔性结构的孔隙率和/或厚度互不相同。具体来说，在对所述硅衬底21进行电化学腐蚀的过程中，通过调整电化学腐蚀过程中的腐蚀参数，以实现对所述硅衬底21中不同区域腐蚀程度的调整，从而在所述硅衬底21中得到沿其纵向排列的多层多孔性结构。

通过合理设置每层多孔性结构的孔隙率和/或厚度，使得多孔硅基底整体的孔隙率保持适宜水平，从而确保所述多孔硅基底良好的绝热性能；同时，保持表层多孔性结构的孔隙率小于或等于其它层，有助于控制所述多孔硅基底的表面孔径，实现后续沉积层的良好覆盖。

多孔硅基底的热导率与多孔性结构的厚度、孔隙率呈现反比的趋势，然而过多的多孔性结构层数会增加工艺的复杂性。通常来讲，3-4层多孔性结构即可满足应用于绝热性能基底。例如，多层多孔性结构包括4层多孔性结构，这4层多孔性结构沿所述硅衬底21的纵向排列，且从上到下分别用作膜结构支撑层、主要绝热层、次要绝热层以及硅结构过渡层。如果需要所述多孔硅基底具有其他功能，例如具有牺牲层、吸附层等其他性能的应用，则根据需要相应增加多孔性结构的层数。

例如，如图2所示，所述多层多孔性结构包括沿所述硅衬底21的纵向从上到下依次层叠的表层231、中间层232和底层233，其中，表层231用作膜结构支撑层、中间层232用作绝热层、底层233用作硅结构过渡层。为了使得所述绝热层具有良好的绝热效果，所述表层231的孔隙率低于所述中间层232的孔隙率。其中，中间层232的孔隙率可以小于、大于或者等于底层233的孔隙率，本具体实施方式对此不作限定。在具有上述孔隙率关系的基础上，各层多孔性结构的厚度，可以根据实际需要进行设置。

再例如，如图2所示，所述多层多孔性结构包括沿所述硅衬底21的纵向从上到下依次层叠的表层231、中间层232和底层233。其中，表层231的厚度为3um～10um，以用作后续mems工艺的膜结构支撑层；中间层232的厚度为40um～80um，其主要用于体现所述多孔硅基底良好的绝热性能，因而作为多孔硅基底的绝热层；底层233的厚度为30um-60um，其用于多孔性结构与硅衬底21的其他硅结构之间的稳定过渡，因而用作硅结构过渡层。以上只是举例说明，每一层多孔性结构的具体厚度，本领域技术人员可以根据实际需要进行设置。

通过研究发现，采用不同的腐蚀参数对硅衬底进行电化学腐蚀，能够在所述硅衬底中形成具有不同孔隙率的多孔性结构。具有多孔性结构的硅衬底具有优良的热学性能和机械性能，同时也能够延续硅材料与ic工艺相容的特性，在mems基底层的制作中具有无可比拟的优势，为提高微热敏传感器的性能提供了可能。由于所述硅衬底21的多孔性结构中存在许多海绵孔洞状的微通道，形成存储空气的微腔，空气作为最好的阻热物质，使得具有多孔性结构的硅衬底具有良好的绝热性能，对热量的传导起到一定的阻隔作用。通常来说，多孔性结构中的孔隙率越高，微腔中空气越多，硅衬底的绝热性能就会越好；但是，高孔隙率会导致所述硅衬底表面的孔径较大，因此，为了确保多孔硅基底的结构稳定性，在后续工艺中需要沉积较厚的膜层才能具有完整且良好的覆盖率，这不仅会增加所述多孔硅基底整体的厚度、增大多孔硅基底的体积，而且还会延长工艺时间、增加制造成本。

在本具体实施方式中，通过在所述硅衬底21中形成沿所述硅衬底21的纵向排列的多层多孔性结构，且使得表层多孔性结构的孔隙率小于或等于其它任一层多孔性结构的孔隙率。虽然使得表层多孔性结构的孔隙率降低，但只要合理设置其他层多孔性结构的孔隙率、厚度或者多孔性结构的层数，仍然可以使得所述硅衬底21在整体上能够保持较高的孔隙率。同时，所述硅衬底21表层的多孔性结构孔隙率较低，可以实现后续沉积层的良好覆盖；所述硅衬底21底层则具有较高孔隙率的多孔性结构，则可以确保多孔硅基底良好的绝热性能。

优选的，对所述硅衬底21进行分层电化学腐蚀之前还包括如下步骤：

ⅰ)在所述硅衬底21表面沉积一层氮化硅薄膜。氮化硅薄膜具有优良的机械性能和钝化性能，能够对其底层的硅衬底21形成有效的保护。其中，在所述硅衬底21表面沉积氮化硅薄膜的方法，优选为等离子体增强化学气相沉积法(plasmaenhancedchemicalvapordeposition，pecvd)。

ⅱ)对所述氮化硅薄膜进行刻蚀，以形成图形化的掩膜层22。具体来说，是对沉积的所述氮化硅薄膜进行光刻、刻蚀、去胶工艺，形成以氮化硅为掩膜的图形结构，以暴露所述硅衬底21中待刻蚀区域。

为了在所述硅衬底的每一层多孔性结构中获得符合要求的孔隙率，优选的，所述腐蚀参数包括电流密度，采用多组不同的腐蚀参数对所述硅衬底进行分层电化学腐蚀的具体步骤包括：

采用多种不同的电流密度分别对所述硅衬底21进行分层电化学腐蚀，且施加于表层电流密度小于或等于其它层。其中，表层是指位于所述硅衬底21用于沉积其他膜层的表面的层。这是因为，在进行电化学腐蚀的过程中，施加于硅衬底上的电流密度越大，得到的多孔性结构的孔隙率越大。因此，通过对电流密度的控制，可以简单、便捷、准确的控制每一层多孔性结构的孔隙率。具体来说，采用多种不同的电流密度分别对所述硅衬底21进行分层电化学腐蚀的过程中，灵活调整电流源产生的电流密度，从而实现对每层多孔性结构的孔隙率的控制。

例如，可以将电流密度设置为沿所述硅衬底21纵向由表层到底层的方向逐渐增大；也可以将施加于表层和底层的电流密度设置的较小，而施加于表层和底层之间的中间层的电流密度设置的较大。以上仅是举例说明，本领域技术人员应根据实际需要控制施加于每一层上的电流密度。

为了更好的控制每一多孔层结构的孔隙率，更优选的，所述腐蚀参数还包括腐蚀时间，采用多组不同的腐蚀参数对所述硅衬底21进行分层电化学腐蚀的具体步骤包括：采用多种不同的电流密度、以及与每一电流密度对应的腐蚀时间对所述硅衬底21进行分层电化学腐蚀。其中，与每一电流密度对应的腐蚀时间的具体数值，取决于要形成的多孔性结构层的厚度。

举例来说，通过控制所述腐蚀时间随电流密度的增大而增大，可以使得较高孔隙率的多孔性结构层具有较大的厚度，而较低孔隙率的多孔性结构层则具有较小的厚度，进一步在确保所述硅衬底21在保持整体高孔隙率的同时，减小其表层的孔径。例如，对所述硅衬底21中的多层按照沿所述硅衬底21纵向由上到下的方向依次施加的电流密度分别为5ma/cm²、10ma/cm²、25ma/cm²、45ma/cm²，与上述电流密度对应的腐蚀时间分别为300s、500s、900s、1800s，此时得到的多孔硅基底的整体孔隙率可以保持在50％～70％。通过控制不同的电流密度和腐蚀时间的累加，可以获得孔隙形貌和结构不同的多层多孔硅基底。

附图3是本发明具体实施方式的电化学腐蚀装置结构示意图。优选的，采用多组不同的腐蚀参数对所述硅衬底21进行分层电化学腐蚀的具体步骤包括：

(s13-1)提供一对电极31。为了获得较佳的电化学腐蚀效果，优选所述电极31的尺寸与所述硅衬底21的尺寸相同。所述电极的具体材质，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，可以是但不限于铂电极。

(s13-2)采用预设比例的氢氟酸、乙醇和去离子水混合得到刻蚀液32。

(s13-3)将所述电极31与所述硅衬底21置于所述刻蚀液32中，并采用多组不同的腐蚀参数对所述硅衬底21进行分层电化学腐蚀。

具体来说，如图3所示，在对所述硅衬底21进行电化学腐蚀过程中，提供一腐蚀槽34，所述腐蚀槽34通过隔板341等分为两个子槽342，两个子槽342中填充有等量、等浓度的所述刻蚀液32，所述隔板341中设置有一开口，所述开口用于容纳所述硅衬底21(即所述硅衬底21不与电源直接相连)，通过所述隔板341与所述硅衬底21实现两个子槽342中刻蚀液的物理隔离。两个所述电极31分别置于两个所述子槽342中，且两个所述电极31分别与电源33的正极、负极连接，以所述刻蚀液作为介质，所述电源33输出的偏置电压通过均平行于所述硅衬底21的两个电极31施加于所述硅衬底21，实现对所述硅衬底21的电化学腐蚀。

为了确保电化学腐蚀过程中每一层多孔性结构的刻蚀均匀性，需要使得腐蚀每一层的电流密度恒定，所述刻蚀液的浓度恒定且温度控制在20℃。

优选的，所述刻蚀液中氢氟酸、乙醇和去离子水的体积比为v氢氟酸：v乙醇：v去离子水＝(1:1:1)～(1:1:4)。

优选的，采用多组不同的腐蚀参数对所述硅衬底21进行分层电化学腐蚀之后还包括如下步骤：

a)采用去离子水对具有多层多孔性结构的硅衬底21进行冲洗。为了确保彻底去除电化学腐蚀过程中产生的硅酸盐等反应产物，需要采用去离子水对具有多孔性结构的硅衬底21反复淋洗10min～20min。

b)将经冲洗的所述硅衬底21于有机溶剂中浸泡预设时间。其中，所述有机溶剂可以是但不限于乙醇或ipa(isopropylalcohol，异丙醇)。所述预设时间优选为10min～20min。

c)采用干燥气体吹干经浸泡的所述硅衬底21，以除去所述硅衬底21中残留的有机溶剂。为了避免对所述硅衬底21的性质造成影响，优选的，所述干燥气体为氮气或惰性气体。在采用干燥气体吹干所述硅衬底21的过程中，通过有机溶剂的快速挥发可以降低表面脱水时的应力，避免对所述硅衬底21中的多层多孔性结构造成损伤。

附图4是本发明具体实施方式的多孔硅基底中多层多孔性结构的扫描电镜图，附图5是本发明具体实施方式的多孔硅基底中两层多孔性结构交界面的扫描电镜图，附图6是本发明具体实施方式的多孔硅基底表面形貌扫描电镜图。由图4可知，采用不同的腐蚀参数对硅衬底中的不同层进行电化学腐蚀后，获得了空隙形貌和结构不同的多层多孔性结构。由图5可知，采用不同的腐蚀参数对硅衬底中的不同层进行电化学腐蚀后，相邻两层多孔性结构的界面清晰且接触完整。由图6可知，采用不同的腐蚀参数对硅衬底中的不同层进行电化学腐蚀后，所述硅衬底表层孔径为20nm～50nm，能够实现后续沉积层的良好覆盖。

为了解决上述问题，本具体实施方式还提供了一种多孔硅基底，包括硅衬底，所述硅衬底具有沿其纵向设置的多层多孔性结构，且表层多孔性结构的孔隙率小于或等于其他任一层多孔性结构的孔隙率。

优选的，多层多孔性结构中至少两层多孔性结构的孔隙率互不相同。更优选的，多层多孔性结构包括表层多孔性结构、中层多孔性结构以及底层多孔性结构，且中层多孔性结构的孔隙率高于表层多孔性结构的孔隙率。

优选的，多层多孔性结构中至少两层多孔性结构的厚度互不相同。更优选的，多层多孔性结构包括表层多孔性结构、中层多孔性结构以及底层多孔性结构，且中层多孔性结构的厚度大于表层多孔性结构的厚度。

具有多层多孔性结构的多孔硅基底，可以作为微热敏传感器中的新型材料。用作微加热板的半导体器件可以减少热扩散，实现低功耗的特性；用于通过红外热响应原理制备的传感器，采用具有多层多孔性结构的多孔硅基底可以提高热响应的系数，从而提高半导体器件的灵敏度。因此，采用具有多层多孔性结构的多孔硅基底制备的半导体器件具备体积小、灵敏度高、成本低、功耗小、易批量化生产、机械电气性强以及加工工艺稳定等优点。

本具体实施方式提供的多孔硅基底的制备方法及多孔硅基底，通过采用多种不同的腐蚀参数对硅衬底进行分层电化学腐蚀，以在所述硅衬底中形成多层多孔性结构，表层多孔性结构的孔隙率小于或等于其他层多孔性结构的孔隙率，使得所述基底既能在整体上保持高的孔隙率，又能具有良好的结构稳定性，使得多孔硅基底在保证良好绝热性能的基础上实现了沉积层的良好覆盖。

实施例1

本实施例提供了一种具有高散热性能的多孔硅基底的制备方法，具体包括如下步骤：

(1-1)提供一硅衬底，且在所述硅衬底表面沉积一图案化的氮化硅薄膜作为掩膜层。

(1-2)取氢氟酸、乙醇和去离子水充分混合，得到刻蚀液，且氢氟酸、乙醇和去离子水的体积比为v氢氟酸：v乙醇：v去离子水＝1:1:4。

(1-3)使用与待腐蚀的硅衬底相同尺寸的一对电极来对所述硅衬底进分层电化学腐蚀，其中，沿所述硅衬底的纵向从表层到底层施加的电流密度依次为5ma/cm²、25ma/cm²、45ma/cm²，从表层到底层的腐蚀时间依次为300s、500s、900s。经过电化学腐蚀过程，可以得到具有不同孔隙率、不同孔密度和不同厚度的三层多孔性结构。

在进行电化学腐蚀的过程中为保证刻蚀的均匀性，需要在腐蚀形成每一层多孔性结构的过程中电流密度保持恒定，刻蚀液的浓度保持恒定且温度控制在20℃。

(1-4)采用去离子水对具有三层多孔性结构的硅衬底进行反复淋洗10min～20min。

(1-5)将经冲洗的所述硅衬底于乙醇或ipa中浸泡置换10min～20min，之后采用氮气将所述硅衬底吹干。

实施例2

本实施例提供了一种具有高机械强度的多孔硅基底的制备方法，具体包括如下步骤：

(2-1)提供一硅衬底，且在所述硅衬底表面沉积一图案化的氮化硅薄膜作为掩膜层；

(2-2)取氢氟酸、乙醇和去离子水充分混合，得到刻蚀液，且氢氟酸、乙醇和去离子水的体积比为v氢氟酸：v乙醇：v去离子水＝1:1:2。

(2-3)使用与待腐蚀的硅衬底相同尺寸的一对电极来对所述硅衬底进分层电化学腐蚀，其中，沿所述硅衬底的纵向从表层到底层施加的电流密度依次为5ma/cm²、10ma/cm²、45ma/cm²，从表层到底层的腐蚀时间依次为300s、900s、1800s。经过电化学腐蚀过程，可以得到具有不同孔隙率、不同孔密度和不同厚度的三层多孔性结构。

在进行电化学腐蚀的过程中为保证刻蚀的均匀性，需要在腐蚀形成每一层多孔性结构的过程中电流密度保持恒定，刻蚀液的浓度保持恒定且温度控制在20℃。

(2-4)采用去离子水对具有三层多孔性结构的硅衬底进行反复淋洗10min～20min。

(2-5)将经冲洗的所述硅衬底于乙醇或ipa中浸泡置换10min～20min，之后采用氮气将所述硅衬底吹干。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。