CN111128712A - 一种金属辅助化学刻蚀抛光硅片的方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属辅助化学刻蚀抛光硅片的方法，属于材料表面处理领域。金属辅助化学刻蚀法的基本原理就是在金属颗粒/刻蚀剂/硅中自发的进行原电池反应，其中常用的金属颗粒有Au、Ag、Pt等贵金属材料，本发明主要以Ag为例作说明。以Ag颗粒为阴极发生还原反应，硅片为阳极发生氧化反应。随着反应不断进行，完成硅片抛光。本发明采用Ag颗粒(50nm～1mm)并且在实验中加上搅拌条件，使Ag颗粒和凹凸不平的硅片一起在刻蚀剂中搅拌转动，转动过程中，硅片凸起部分接触到Ag颗粒就会被刻蚀，从而达到抛光的目的。
Description
技术领域
本发明涉及抛光硅片的新方法，即采用金属辅助化学刻蚀法抛光硅片，属于材料表面处理领域。
背景技术
硅片在信息、传感及太阳能电池等许多领域有着广泛的应用，抛光硅片的表面质量直接影响着器件的性能、集成度、可靠性以及成品率，但是现有的抛光硅片技术在抛光过程中效率低、成本高，因此探索新的抛光技术有着重要的应用价值。
现在人们常用的抛光硅片的方法为化学机械抛光法，即化学反应和机械磨削共同作用的抛光工艺。其基本原理是将硅片压在抛光垫和抛光盘中间，使其与抛光液中的氧化剂发生化学反应，在硅片表面生成一层软质层，在一定压力下，旋转抛光液中的磨粒与抛光盘，利用机械磨削作用将硅片表面软质层去除，硅片表面重新裸露出来，继续进行化学作用，直到机械作用和化学反应达到平衡，完成抛光目的。虽然此技术研究已经较成熟，但是仍存在不可避免的短板。比如化学作用产生会产生腐蚀坑，机械作用会造成表层和亚表层的损伤；随着抛光压力的增加，抛光效率会提高，但是硅片表面抛光质量降低，即抛光效率和抛光质量之间存在矛盾问题；还有此方法抛光的硅片表面应力大且效率低成本高等。
基于以上问题，提出了一种抛光硅片的新方法，即采用金属辅助化学刻蚀法抛光硅片。
发明内容
本发明的目的在于提出一种抛光硅片的新思路，采用金属辅助化学刻蚀法抛光硅片旨在降低硅片表面应力同时降低抛光成本，提高抛光效率。
金属辅助化学刻蚀法的基本原理就是在金属颗粒/刻蚀剂/硅中自发的进行原电池反应，其中常用的金属颗粒有Au、Ag、Pt等贵金属材料，本发明主要以Ag为例作说明。以Ag颗粒为阴极发生还原反应，硅片为阳极发生氧化反应。随着反应不断进行，完成硅片抛光。
本发明采用Ag颗粒(50nm～1mm)并且在实验中加上搅拌条件，使Ag颗粒和凹凸不平的硅片一起在刻蚀剂中搅拌转动，转动过程中，硅片凸起部分接触到Ag颗粒就会被刻蚀，从而达到抛光的目的。具体抛光硅片示意图如图1所示。
具体的抛光硅片的步骤如下：
(1)清洗硅片：分别将硅片放入甲苯、丙酮、无水乙醇中超声清洗，去除硅片表面油脂；再将硅片放入H2SO4和H2O2配置的食人鱼溶液中清洗，去除表面残留有机物；然后将硅片放入HF溶液中清洗，去除表面氧化层，用去离子水冲洗后氮气吹干；
(2)配制刻蚀溶液：将HF和H2O2混合后，配置成刻蚀溶液待用；
(3)称量Ag颗粒；
(4)抛光硅片：将清洗好的硅片和称量好的Ag颗粒同时放入刻蚀溶液中，搅拌溶液带动Ag颗粒和硅片转动，使得Ag颗粒不断碰撞硅片的表面并进行转动，以进行刻蚀反应，达到抛光的目的；
(5)清洗干燥：将刻蚀好的硅片取出放入HNO3溶液去除表面残留的Ag颗粒，取出后用去离子水冲洗吹干后放入烘箱烘干。
进一步，步骤(1)食人鱼溶液配比时，采用30wt％的H2O2溶液和 98％的H2SO4按1:1-5体积混合；HF溶液质量分数为5％～20％；
步骤(2)刻蚀溶液中HF和H2O2的质量分数分别为10％～20％和 1％～5％；
步骤(5)HNO3溶液中HNO3的质量分数为20％～30％。
进一步，抛光硅片时，使用数显搅拌器搅拌时的速度在 100r/min～700r/min范围内。
进一步，抛光硅片时使用的Ag颗粒尺寸有所变化，最初先使用直径范围在100μm～7mm的Ag颗粒刻蚀硅片最尖端部分，然后在使用直径范围在50μm～100μm的Ag颗粒刻蚀硅片次尖端部分，接着继续减少硅片直径至50nm～50μm范围内，直至硅片尖端被刻蚀，得到光滑的硅片表面。
为达到抛光硅片的目的，此实验最关键的因素就是保证Ag颗粒在硅片表面不停转动，使硅片凸起部分被刻蚀掉，而不是沉积在硅片表面，只刻蚀一处。
附图说明
图1是抛光硅片示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式，对本发明做进一步阐释，但是本发明并不限于以下所陈述的实施例。
实施例1
食人鱼溶液中H2SO4和H2O2的体积比为3：1，HF溶液中HF和H2O 的体积比为1：10，HNO3溶液中HNO3和H2O的体积比为1：3，刻蚀剂中HF、H2O2和H2O的体积比为3：18：100，选用2g直径为50μm的 Ag颗粒和清洗干燥后的硅片加入到刻蚀溶液中，在搅拌速度 400r/min下刻蚀反应30min，得到硅片表面峰峰值为1.1μm，较未抛光硅片的4.4μm下降了75％。
实施例2
食人鱼溶液中H2SO4和H2O2的体积比为3：1，HF溶液中HF和H2O 的体积比为1：10，HNO3溶液中HNO3和H2O的体积比为1：3，刻蚀剂中HF、H2O2和H2O的体积比为3：18：100。选用5g直径为50μm的 Ag颗粒在搅拌速度400r/min下刻蚀反应45min，得到硅片表面峰峰值为0.8μm，较未抛光硅片的4.4μm下降了81.8％。
实施例3
食人鱼溶液中H2SO4和H2O2的体积比为3：1，HF溶液中HF和H2O 的体积比为1：10，HNO3溶液中HNO3和H2O的体积比为1：3，刻蚀剂中HF、H2O2和H2O的体积比为3：18：100。选用6g直径为50μm的 Ag颗粒在搅拌速度500r/min下刻蚀反应30min，得到硅片表面峰峰值为0.6μm，较未抛光硅片的4.4μm下降了86.4％。
实施例4
食人鱼溶液中H2SO4和H2O2的体积比为3：1，HF溶液中HF和H2O 的体积比为1：10，HNO3溶液中HNO3和H2O的体积比为1：3，刻蚀剂中HF、H2O2和H2O的体积比为3：18：100。选用6g直径为50μm的 Ag颗粒在搅拌速度500r/min下刻蚀反应45min，得到硅片表面峰峰值为0.5μm，较未抛光硅片的4.4μm下降了88.6％。
实施例5
食人鱼溶液中H2SO4和H2O2的体积比为3：1，HF溶液中HF和H2O 的体积比为1：10，HNO3溶液中HNO3和H2O的体积比为1：3，刻蚀剂中HF、H2O2和H2O的体积比为3：18：100。选用6g直径为50μm的 Ag颗粒在搅拌速度500r/min下刻蚀反应1h，得到硅片表面峰峰值为 1.2μm。然后再用直径为2μm的Ag颗粒继续刻蚀，可得到硅片表面峰峰值为0.2μm。接着用直径为0.5μm的Ag颗粒继续刻蚀，可得到峰峰值为5nm。
Claims (8)
1.一种金属辅助化学刻蚀抛光硅片的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)清洗硅片：
(2)配制刻蚀溶液：将HF和H2O2混合后，配置成刻蚀溶液待用；
(3)称量Ag颗粒；
(4)抛光硅片：将清洗好的硅片和称量好的Ag颗粒同时放入刻蚀溶液中，搅拌溶液带动Ag颗粒和硅片转动，使得Ag颗粒不断碰撞硅片的表面并进行转动，以进行刻蚀反应，达到抛光的目的；
(5)清洗干燥：将刻蚀好的硅片取出放入HNO3溶液去除表面残留的Ag颗粒，取出后用去离子水冲洗吹干后放入烘箱烘干。
2.按照权利要求1所述的一种金属辅助化学刻蚀抛光硅片的方法，其特征在于，
步骤(1)分别将硅片放入甲苯、丙酮、无水乙醇中超声清洗，去除硅片表面油脂；再将硅片放入H2SO4和H2O2配置的食人鱼溶液中清洗，去除表面残留有机物；然后将硅片放入HF溶液中清洗，去除表面氧化层，用去离子水冲洗后氮气吹干；步骤(1)食人鱼溶液配比时，采用30wt％的H2O2溶液和98％的H2SO4按1:1-5体积混合；HF溶液质量分数为5％～20％。
3.按照权利要求1所述的一种金属辅助化学刻蚀抛光硅片的方法，其特征在于，步骤(2)刻蚀溶液中HF和H2O2的质量分数分别为10％～20％和1％～5％。
4.按照权利要求1所述的一种金属辅助化学刻蚀抛光硅片的方法，其特征在于，步骤(5)HNO3溶液中HNO3的质量分数为20％～30％。
5.按照权利要求1所述的一种金属辅助化学刻蚀抛光硅片的方法，其特征在于，抛光硅片时，使用数显搅拌器搅拌时的速度在100r/min～700r/min范围内。
6.按照权利要求1所述的一种金属辅助化学刻蚀抛光硅片的方法，其特征在于，抛光硅片时使用的Ag颗粒尺寸有所变化，最初先使用直径范围在100μm～7mm 的Ag颗粒刻蚀硅片最尖端部分，然后在使用直径范围在50μm～100μm的Ag颗粒刻蚀硅片次尖端部分，接着继续减少硅片直径至50nm～50μm范围内，直至硅片尖端被刻蚀，得到光滑的硅片表面。
7.按照权利要求1所述的一种金属辅助化学刻蚀抛光硅片的方法，其特征在于，Ag颗粒的粒径为50nm～1mm。
8.按照权利要求1-6任一项所述的一种金属辅助化学刻蚀抛光硅片的方法，其特征在于，将Ag颗粒替换为Au、Pt等其他贵金属材料。
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