一种全光固体超快探测芯片的腐蚀方法与流程

本发明涉及超快诊断领域，具体涉及应用于全光固体超快诊断技术的探测芯片的腐蚀方法。

背景技术：

全光固体超快诊断技术采用超快固体材料响应待测信号(x射线、可见光、红外等)，该技术不受空间电荷与微通道板增益饱和效应制约，具有更高的时间和空间分辨能力，在医学、材料、自然科学研究等领域有很大的应用潜力。

全光固体超快诊断技术的时间和空间分辨能力取决于超快探测芯片，因此超快探测芯片的制备至关重要。目前的芯片algaas响应层外延在gaas衬底上，且algaas响应层厚度只有3-5μm，而gaas衬底的厚度是350μm，大大影响了入射光的透过率，因此对于超快探测芯片，对algaas/gaas的选择性腐蚀直接决定芯片对入射光的响应。通过查阅文献，现有对algaas/gaas体系的去衬底溶液主要分为三个体系：nh4oh：h2o2体系、柠檬酸：h2o2体系和干法刻蚀体系。

nh4oh：h2o2体系对algaas/gaas选择性较低，腐蚀速度较快，去衬底后芯片的表面粗糙，通常在室温下进行；柠檬酸：h2o2体系对algaas/gaas选择性较高，但腐蚀速度慢，对于较厚gaas衬底难以实现大面积均匀腐蚀，通常也在室温下进行；第三种体系虽具有较高的选择比，但刻蚀过程容易对芯片造成损伤。

技术实现要素：

为了解决现有全光固体超快探测芯片的腐蚀方法腐蚀效果较差的技术问题，本发明提供一种全光固体超快探测芯片的腐蚀方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种全光固体超快探测芯片的腐蚀方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)第一阶段腐蚀：

1.1)将nh4oh溶液和h2o2溶液进行混合，形成第一阶段腐蚀溶液；

1.2)将待腐蚀芯片置于第一阶段腐蚀溶液中，在温度为35-40℃的条件下，腐蚀gaas衬底，对gaas衬底进行减薄；

2)第二阶段腐蚀：

2.1)将柠檬酸溶液和h2o2溶液进行混合，形成第二阶段腐蚀溶液；

2.2)将步骤1.2)腐蚀后的芯片进行清洗后置于第二阶段腐蚀溶液中，在温度为25-35℃的条件下，继续腐蚀gaas衬底，直至将gaas衬底完全去除掉。

进一步地，步骤1.1)中的nh4oh溶液的浓度为25％wt，h2o2溶液的浓度为30％wt，nh4oh溶液与h2o2溶液的体积比为1:4。

进一步地，步骤2.1)中的柠檬酸溶液为质量比1：1的分析纯柠檬酸与去离子水的配比溶液，h2o2溶液的浓度为30％wt，柠檬酸溶液和h2o2溶液的体积比为4：1。

进一步地，为保证第二阶段的腐蚀效果，步骤1.2)第一阶段腐蚀后芯片的gaas衬底厚度为20-50um。

进一步地，为了加快腐蚀速度并保证腐蚀后芯片表面的均匀性，步骤1.2)和步骤2.2)的腐蚀过程中，伴随有搅拌，搅拌的速率为5分钟一次。

进一步地，为了提高腐蚀速率，步骤1.1)还包括采用h3po4将第一阶段腐蚀溶液的ph值调节到9的步骤。

进一步地，在步骤1)之前，还包括对待腐蚀芯片进行固定的步骤，具体是：

a)、通过应力计算及探测光透过率对比，并结合后端测试需求，采用与待腐蚀芯片相匹配的石英片作为支撑载体；真空环境下采用紫外固化胶将腐蚀芯片固定于石英片上；

b)采用夹具1将带有芯片的石英片固定，此时待腐蚀芯片的gaas衬底垂直向下。

进一步地，步骤a)中的石英片的厚度为2mm。

进一步地，步骤1.1)中紫外固化胶的厚度越薄越好，但同时要保证粘接性，紫外固化胶的厚度取20-30μm比较好控制平整度；关于固化温度，选择低温固化，固化温度为45-60℃，防止温度过高时固化出现裂纹。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明全光固体超快探测芯片的腐蚀方法，采用分阶段腐蚀，将两种腐蚀体系相结合，既克服了单一nh4oh：h2o2体系选择性低，表面粗糙的缺点，又克服了柠檬酸：h2o2体系腐蚀速度慢，对于较厚gaas衬底难以实现大面积均匀腐蚀的缺点，具有快的腐蚀速度且腐蚀后芯片表面均匀光滑，在保证材料表面形貌的前提下缩短了腐蚀时间，使得较厚的探测芯片在不进行机械减薄的条件下也能够实现快速选择性均匀腐蚀。

2、本发明全光固体超快探测芯片的腐蚀方法，改变了常规的nh4oh：h2o2体系通常在室温下对芯片进行腐蚀的方法，将腐蚀温度提升至35-40℃，虽然腐蚀温度的提升，对表面形貌造成了影响；但本发明通过第二阶段的腐蚀来对表面形貌进行了矫正，既提高了腐蚀速度，又保证了表面形貌。

3、本发明全光固体超快探测芯片的腐蚀方法，通过对第一阶段腐蚀后芯片的gaas厚度的限定，使得第二阶段能够很好的进行；如果第一阶段腐蚀后芯片的gaas厚度大于50um，一方面会增加第二阶段的腐蚀时间，另一方面，腐蚀时间过长，会导致芯片表面均匀性变差；如果第一阶段腐蚀后芯片的gaas厚度过小，小于20um，那么第一阶段所产生的表面粗糙的问题则很难矫正。

4、本发明全光固体超快探测芯片的腐蚀方法，采用石英片对待腐蚀探测芯片进行支撑，不仅能够防止腐蚀过程中当材料腐蚀至很薄时发生破裂现象；而且在后期芯片测试时，也起到对芯片响应层的支撑作用，同时又不影响探测光透过率。

5、本发明全光固体超快探测芯片的腐蚀方法，操作简单，重复性好，提高gaas的腐蚀速率，可以实现对algaas/gaas的较厚gaas的快速选择性腐蚀。

附图说明

图1本发明实施例第一阶段腐蚀过程示意图；

图2为本发明实施例待腐蚀芯片腐蚀前gaas衬底的表面形貌；

图3为本发明实施例待腐蚀芯片经第一阶段腐蚀后gaas衬底的表面形貌；

图4为本发明实施例待腐蚀芯片经第二阶段腐蚀后芯片表面形貌。

其中附图标记为：1-夹具，2-第一阶段腐蚀溶液，3-石英片，4-algaas响应层，5-gaas衬底。

具体实施方式

以下通过实施例和对比例对本发明进行详细说明。

如图1所示，全光固体超快探测芯片的组成主要包括gaas衬底5及algaas响应层4，在gaas衬底5及algaas响应层4之间还包括腐蚀阻挡层al0.87ga0.13as，腐蚀的目的就是将gaas衬底5腐蚀掉。实施例和对比例中的待腐蚀探测芯片的gaas衬底5为厚度350μm，algaas响应层4厚度为3-5μm，腐蚀阻挡层的厚度为300nm，腐蚀前gaas衬底5的表面形貌如图2所示。

实施例：

本发明全光固体超快探测芯片的腐蚀方法，包括以下步骤：

步骤1、通过应力计算及探测光透过率对比，并结合后端测试需求，采用与全光固体超快探测芯片相匹配的石英片3作为支撑载体，石英片3厚度2mm，直径25.4mm；真空环境下采用紫外固化胶将探测芯片固定于石英片3上，防止腐蚀过程中当gaas衬底5腐蚀至很薄时因为气泡发生破裂现象；此过程紫外固化胶厚度为30μm，固化温度45-60℃，固化时间4h。

步骤2、采用夹具1将带有芯片的石英片3固定，此时将gaas衬底5垂直向下，保证gaas衬底5完全接触腐蚀溶液，使得因腐蚀产生的氧化物络合物可以及时脱离表面，保证gaas衬底5材料的腐蚀可以完全在氧化环境下进行，提高表面腐蚀的速度和均匀性。

步骤3、采用nh4oh溶液和h2o2溶液配制腐蚀基础液，体积比为1：4，并采用h3po4将溶液ph值调节到9，此时配得第一阶段腐蚀溶液2，将步骤2中固定好的芯片置于第一阶段腐蚀溶液2中，快速腐蚀gaas衬底5；此过程采用nh4oh溶液为25％wt氨水溶液，h2o2溶液为30％wt双氧水溶液；腐蚀时间为30分钟，温度35-40℃，每隔5分钟搅拌一次。

步骤4、将步骤3腐蚀后的芯片用无水乙醇和去离子水清洗。

第一阶段腐蚀后gaas衬底5的表面形貌如图3所示。

步骤5、采用50％的柠檬酸溶液200ml和h2o2溶液50ml继续腐蚀，体积比为4∶1，优化材料表面形貌；此过程采用50％的柠檬酸溶液为质量比1∶1的分析纯柠檬酸与去离子水的配比溶液，h2o2溶液为30％wt双氧水溶液；腐蚀时间为2小时，温度25-35℃，每隔5分钟搅拌一次。

步骤6、将步骤5腐蚀后的芯片用无水乙醇和去离子水清洗处理。

第二阶段腐蚀后芯片表面形貌如图4所示。

对比例1:

全光固体超快探测芯片的腐蚀方法，包括以下步骤：

步骤1、通过应力计算及探测光透过率对比，并结合后端测试需求，采用与全光固体超快探测芯片相匹配的石英片3作为支撑载体，石英片3厚度2mm，直径25.4mm；真空环境下采用紫外固化胶将探测芯片固定于石英片3上，防止腐蚀过程中当gaas衬底5腐蚀至很薄时发生破裂现象；此过程紫外固化胶厚度为30μm，固化温度45-60℃，固化时间4h。

步骤2、采用夹具1将带有芯片的石英片3固定，此时将gaas衬底5垂直向下，保证gaas衬底5完全接触腐蚀溶液，使得因腐蚀产生的氧化物络合物可以及时脱离表面，保证gaas衬底5材料的腐蚀可以完全在氧化环境下进行，提高表面腐蚀的速度和均匀性。

步骤3、采用nh4oh溶液和h2o2溶液配制腐蚀溶液，体积比为1∶4，将步骤2中固定好的芯片置于腐蚀溶液，快速腐蚀gaas衬底5；此过程采用的nh4oh溶液为25％wt氨水溶液，h2o2溶液为30％wt双氧水溶液。腐蚀温度为20-25℃，每隔5分钟搅拌一次。

步骤4、将步骤3腐蚀后的芯片用无水乙醇和去离子水清洗。

对比例2:

全光固体超快探测芯片的腐蚀方法，包括以下步骤：

步骤1、通过应力计算及探测光透过率对比，并结合后端测试需求，采用与全光固体超快探测芯片相匹配的石英片3作为支撑载体，石英片3厚度2mm，直径25.4mm；真空环境下采用紫外固化胶将探测芯片固定于石英片3上，防止腐蚀过程中当gaas衬底5腐蚀至很薄时发生破裂现象；此过程紫外固化胶厚度为30μm，固化温度45-60℃，固化时间4h。

步骤2、采用夹具1将带有芯片的石英片3固定，此时将gaas衬底5垂直向下，保证gaas衬底5完全接触腐蚀溶液，使得因腐蚀产生的氧化物络合物可以及时脱离表面，保证gaas衬底5材料的腐蚀可以完全在氧化环境下进行，提高表面腐蚀的速度和均匀性。

步骤3、采用nh4oh溶液和h2o2溶液配制腐蚀溶液，体积比为1：4，并采用h3po4将溶液ph值调节到9，将步骤2中固定好的芯片置于腐蚀溶液，快速腐蚀gaas衬底5；此过程采用nh4oh溶液为25％wt氨水溶液，h2o2溶液为30％wt双氧水溶液。腐蚀温度为20-25℃，每隔5分钟搅拌一次。

步骤4、将步骤3腐蚀后的芯片用无水乙醇和去离子水清洗。

对比例3:

全光固体超快探测芯片的腐蚀方法，包括以下步骤：

步骤1、通过应力计算及探测光透过率对比，并结合后端测试需求，采用与全光固体超快探测芯片相匹配的石英片3作为支撑载体，石英片3厚度2mm，直径25.4mm；真空环境下采用紫外固化胶将探测芯片固定于石英片3上，防止腐蚀过程中当材料腐蚀至很薄时因为气泡发生破裂现象；此过程紫外固化胶厚度为30μm，固化温度45-60℃，固化时间4h。

步骤2、采用夹具1将带有芯片的石英片3固定，此时将gaas衬底5垂直向下，保证gaas衬底5完全接触腐蚀溶液，使得因腐蚀产生的氧化物络合物可以及时脱离表面，保证gaas衬底5材料的腐蚀可以完全在氧化环境下进行，提高表面腐蚀的速度和均匀性。

步骤3、采用nh4oh溶液和h2o2溶液配制腐蚀溶液，体积比为1：4，并采用h3po4将溶液ph值调节到9，将步骤2中固定好的芯片置于腐蚀溶液，快速腐蚀gaas衬底5；此过程采用nh4oh溶液为25％wt氨水溶液，h2o2溶液为30％wt双氧水溶液。腐蚀温度为35-40℃，每隔5分钟搅拌一次。

步骤4、将步骤3腐蚀后的芯片用无水乙醇和去离子水清洗。

对比例4:

全光固体超快探测芯片的腐蚀方法，包括以下步骤：

步骤1、通过应力计算及探测光透过率对比，并结合后端测试需求，采用与全光固体超快探测芯片相匹配的石英片3作为支撑载体，石英片3厚度2mm，直径25.4mm；真空环境下采用紫外固化胶将探测芯片固定于石英片3，防止腐蚀过程中当材料腐蚀至很薄时因为气泡发生破裂现象；此过程紫外固化胶厚度为30μm，固化温度45-60℃，固化时间4h。

步骤2、采用夹具1将带有芯片的石英片3固定，此时将gaas衬底5垂直向下，保证gaas衬底5完全接触腐蚀溶液，使得因腐蚀产生的氧化物络合物可以及时脱离表面，保证gaas衬底5材料的腐蚀可以完全在氧化环境下进行，提高表面腐蚀的速度和均匀性。

步骤3、采用50％的柠檬酸溶液200ml和h2o2溶液50ml配置腐蚀溶液，体积比为4：1，将步骤2中固定好的芯片置于该腐蚀溶液中腐蚀gaas衬底5；此过程中的50％的柠檬酸溶液为质量比1：1的分析纯柠檬酸与去离子水的配比溶液，h2o2溶液为30％wt双氧水溶液；温度25-35℃，每隔5分钟搅拌一次。

步骤4、将步骤3腐蚀后的芯片用无水乙醇和去离子水清洗。

实施例及对比例的腐蚀效果见表2。

表2

由表2可以得出以下结论：

1、本发明分阶段腐蚀的效果是最好的，不仅能够满足芯片表面粗糙度的要求，具有较高的腐蚀效率，且完成面积大，表面均匀。

2、单独的nh4oh和h2o2溶液体系，虽然也能达到较高的腐蚀效率，但存在表面不均匀的缺陷。

3、对于nh4oh和h2o2溶液体系来说，温度的升高有助于腐蚀速率的提高，但随之表面腐蚀均匀性可控性降低。

4、对于c6h8o7：h2o2溶液体系，腐蚀速率很低，仅为0.6μm/min，且因腐蚀时间过长，表面易出现斑，且均匀性差。

5、ph值对腐蚀速率有一定影响，在相同的温度下，调节ph为9可以提高腐蚀速率。

本发明实施例、对比例2及对比例3中ph值也可以调整到10，效果没有ph值为9时的效果好。