超声波频率对化学蚀刻过程的影响实验报告

我们华林科纳在这项工作中，超声增强化学腐蚀被用来制作多孔硅层，通过使用HF溶液和HNO3在p型(111)取向硅中制备多孔硅层，发现超声波改善了p型硅上多孔硅层的结构，用这种方法可以制作品质因数高得多的多孔硅微腔，由超声波蚀刻引起的质量提高可归因于氢气泡和其它蚀刻化学物质从多孔硅柱表面逃逸的速率增加，该效应归因于自由空穴载流子浓度的有效变化，超声波可能导致成键结构的变化和氧化的增加。此外，在超声波处理和微观结构之间建立了相关性。

其样品的AFM图像如图1 (a) - (c)所示，样品A、B和C的PS层厚度分别为500、1000和1250 nm，在相同的有效刻蚀时间内，可以得到两个明显的结论：(1)超声刻蚀制备的样品(样品B和C)的PS层厚度大于常规工艺(非超声)刻蚀制备的样品(样品A)，(2)样品C的硅孔在表面法线方向上最连续，并且具有均匀的分布和最小的直径。

当超声波作用于电解液时，电解液中会出现大量的微气泡，这些气泡将随着声压的变化而反复收缩和膨胀，并导致化学产品从硅柱上脱附，如果气泡破裂，就会产生极高的压力，这种压力会将溶解的物质带出硅孔，此外，其他的超声波效应，如振动，也会加速化学产品的扩散，所有这些原因导致化学反应集中在孔尖端，从而减少了横向蚀刻并提高了均匀性和蚀刻效率。

通过AFM测量三个样品的光滑度，如图1所示，显微照片中显示的最明显的现象是，从样品C到样品A，硅柱尺寸增加，而均匀性降低，四个样品的表面粗糙度均方根(RMS)值分别为17.324纳米(样品A)、9.505纳米(样品B)和3.779纳米(样品C)。

利用FTIR光谱中的透射光谱研究了大孔表面的化学组成。图2显示了在400-4000cm的不同波长下通过化学蚀刻制备的新鲜制备的PS层的FTIR透射光谱。PS层形成过程中的超声处理导致p型(111) Si中的微结构特征，从该图可以看出，新制备的PS层在2400 cm处显示出Si-H吸收带，这些模式与吸附在扩展ps表面的基团有关，众所周知，Si - Hx含量对于钝化质量是必要的，因为氢容易在PS/Si界面以及Si晶片本身内部扩散。

当样品被处理时，该峰值剂量没有经历重要的变化，因此可以认为该模式与硅衬底有关。另外，1108 cm处的模式仅出现在具有一定氧化程度的PS层中，该频率可能与PS表面缺陷Si氧化物的高应力SiO2-Si界面有关，这些模式是Si-O-Si桥的对称和反对称振动模式，Si-H和Si-O带强度的降低可能表明存在一些由超声空化引起的蚀刻活性，与氧气相比，氢化的相对减少也通过Si-H在超声空化样品中更强而得到证实，如从相对谱带强度估计的，613cm处的峰属于Si-Si拉伸模式，而818-889 cm处的峰属于O-Si-O弯曲模式，峰值在663和739 cm处，Si-F键的存在是化学蚀刻技术的特征，而1460、846和831 cm处的峰对应于烃振动模式，这与样品在乙醇中的洗涤有关。

总之，提出的一种超声增强化学腐蚀方法来制作PS层，表面研究原子力显微镜(AFM)显示，当其他蚀刻参数不变时，超声蚀刻比非超声化学蚀刻产生更厚和更均匀的PS层，具有更小的硅孔，AFM观察进一步证实了结构性能的改善，这可以通过PS形成机制，尤其是超声空化来解释，PS单层和PS微腔的研究表明，超声刻蚀优化了样品的特性，将超声腐蚀与常规技术相结合，获得了质量最好的样品，这种新的刻蚀方法是制备PS材料，特别是PS多层膜的一种非常有效的技术，为实现PS材料的应用开辟了一条可行的途径。