基于双面两步金属催化化学腐蚀法的穿透、超高深宽比功能微结构阵列加工基础研究

Meta-assisted chemical etching represents a promising approach for the fabrication of high aspect ratio functional microstructure arrays. However, the process reaction mechanism is still not clear. Besides, the traditional optical system is limited by the depth of focus and cannot be used for in situ monitoring. The realization of the ultra-high aspect ratio still remains a challenge. In this project, we propose a new scheme to double the aspect ratio of microstructure arrays. The main idea is double-side two-step meta-assisted chemical etching process based on high precision alignment. Furthermore, this new process can obtain free-standing structures. Moire phase imaging method is introduced for optical double-side lithography and precision alignment, and the influence of the physical parameters of the alignment marks on the phase extraction accuracy is analyzed. Based on the previous work, considering different mixed liquid environment, a reflection-mode differential-interference-contrast digital in-line holography microscopy is used for the in situ monitoring of double-side two-step meta-assisted chemical etching. Influences of process parameters such as metal film on morphology of ultra-high aspect ratio microstructure arrays will be investigated, the corresponding basic experimental data will be obtained, and 3D corrosion rate calculation model will be established. Finally, large area microstructure arrays with free-standing structures, aspect ratio higher than 200:1, and smooth steep sidewall will be fabricated on 4-inch wafers, and will be filled with metal by using PEALD method. Project results will provide a theoretical basis and technical reserves for the application of ultra-high aspect ratio functional microstructure arrays in the fields of optoelectronics, neutron science, etc

金属催化化学腐蚀法是制备高深宽比功能微结构阵列的重要手段，但是其工艺反应机制尚不明确，传统光学系统受焦深限制，无法实施原位监测，超高深宽比的实现仍然面临挑战。本项目提出经精密套刻后的硅片正反面分别进行两次金属催化化学腐蚀的新思路，将微结构阵列深宽比提高一倍，且将腐蚀穿透。研究将莫尔相位成像方法引入双面套刻的方法，分析对准标记物理参数对相位提取精度的影响。在前期提出的微分干涉相衬-数字同轴全息3D形貌检测新方法基础上，进一步采用反射方式，考虑不同混合液环境，原位监测腐蚀过程。获取金属薄膜、腐蚀液等参数对超高深宽比硅微结构阵列形貌的影响规律，获取基础实验数据，建立3D腐蚀速率模型。在4英寸硅片上大面积集成研制出穿透、深宽比>200：1、侧壁光滑陡直的硅基微结构阵列，基于PEALD等方法进行金属填充。项目成果将为穿透、超高深宽比微结构功能阵列在光电子、中子学等领域应用提供理论依据。

高深宽比微结构阵列在生物医学领域、X 射线医疗成像、同步辐射应用中都有大量需求。各国研究者为了提高微结构阵列的深宽比发展了各种新型加工技术，包括基于Bosch工艺的深反应离子刻蚀(DRIE)法、激光烧蚀法、微细电火花加工法、基于气－液－固机制的化学气相沉积法、光辅助电化学腐蚀法等。但这些工艺的控制要求非常严格，往往会导致成品率的大幅度下降。.金属催化化学腐蚀（MACE）法是近年来快速发展出的一种大面积深高宽比微纳结构制备方法，具有工艺简单可控、无明显尺寸限制、设备简单、可在常温常压下进行等诸多优点，已经成为当前高深宽比微结构阵列制备技术的前沿研究课题。尽管当前国内外MACE研究已经取得了很大进展，但是深宽比超过120:1的微结构阵列制备结果的公开报道还很少。.针对以上MACE中遇到的问题，本研究主要内容是（1）金属薄膜、腐蚀液、腐蚀参数、硅衬底等MACE参数对穿透、超高深宽比硅微结构阵列形貌的影响规律和3D腐蚀速率模型充分考虑实际反应条件对穿透、超高深宽比硅微结构阵列形貌的影响规律。建立MACE参数与3D腐蚀速率之间的关系，得到优化的MACE参数；（2）针对双面两步MACE的复杂反应机制，建立反射式微分干涉相衬-数字同轴全息3D形貌原位检测模型及方法，为3D腐蚀速率模型的建立提供基础实验数据。.本研究基于莫尔相位成像方法实现了硅片双面精密套刻，在4英寸硅片上大面积集成研制出穿透、超高深宽比（>200:1）、侧壁陡直光滑的功能性微结构阵列，并对表征数据进行评估分析，实验验证3D腐蚀速率模型，给出进一步建设性意见，并在这些优化的工艺基础上完成了基于MACE的压印和探针直写法等高分辨率图形化新方法，实现分辨率小于20nm的硅结构。相关研究成果发表在J. Micromech. Microeng.和 ACS Applied electronic materials上。.研究成果最终为光电子、微能源、生物医学、天文学、同步辐射等重要领域提供超高深宽比、侧壁陡直光滑的功能性微结构阵列加工技术。