CN103441063B - 一种碳化硅微结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种碳化硅微结构的制备方法就，该方法是在气体环境中，利用飞秒激光辐照，通过扫描的方式，在碳化硅基片上诱导产生折射率变化区域，再通过氢氟酸和硝酸的混合液，腐蚀去除折射变化区域，从而制备碳化硅微结构。该方法工艺流程简单，微结构的分布不需要掩模板定义；与当前常用的湿法和干法刻蚀相比，腐蚀选择性好，刻蚀区域完全由激光辐照区域决定。利用该方法，通过调控激光辐照参数，可以在碳化硅基片上制备没有杂质元素污染的高纵横比狭槽。该方法可以应用于半导体器件领域和微机械电子系统。

Description

一种碳化硅微结构的制备方法

技术领域

本发明属于半导体器件和微机械电子系统技术领域，涉及一种碳化硅微结构，尤其是一种利用飞秒激光辐照与化学湿法腐蚀相结合制备碳化硅微结构的方法。

背景技术

碳化硅是一种宽带隙半导体，具有高热导性、高击穿电场强度及高最大电流密度等特点，在半导体器件领域和微机械电子系统，在极端条件（高温、高压、高功率、高频率等）下，它可以作为硅的替代物。目前，人们主要采用干法刻蚀的方式制备碳化硅基微结构，比如高纵横比狭槽，这种狭槽在在高功率半导体元件中的隔离槽、极端环境中的微机械电子系统、碳化硅基微流控芯片等方面具有广泛的应用。然而，干法刻蚀是利用等离子体通过与碳化硅进行化学或者物理反应，去除碳化硅基底上的材料，从而制备高纵横比狭槽。在干法刻蚀中，首先在碳化硅基片上沉积一层Au或者Cr作为种子层，然后利用光刻技术定义所需微结构的形状，再通过电学方法在曝光位置沉积Ni，最后将样品放置在充满SF₆气体的磁增强电感耦合等离子体刻蚀装置中进行反应离子刻蚀，直到刻蚀出所需深度的狭槽为止。目前，现有技术中，利用干法刻蚀，在碳化硅材料上制备的狭槽，最大深度为200μm。然而，这种方法的工艺流程复杂，材料的刻蚀速率不高，典型的速率为0.5μm/min。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种碳化硅微结构的制备方法，该方法首先利用飞秒激光辐照，通过扫描的方式定义刻蚀区域，然后利用化学湿法腐蚀，将辐照区域去除，从而制备碳化硅微结构。该方法具有工艺流程简单，无需掩模板和刻蚀速率快的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种碳化硅微结构的制备方法，是在气体环境中，利用飞秒激光辐照，通过扫描的方式，在碳化硅基片上诱导产生碳化硅基折射率变化结构，再通过氢氟酸和硝酸的混合液腐蚀，去除折射率变化区域，从而制备碳化硅微结构。

进一步的，以上方法具体按照以下步骤进行：

（1）选择碳化硅晶片作为基片，依次在丙酮、酒精、去离子水中超声清洗；

（2）在气体环境中，利用飞秒激光辐照，通过扫描的方式，在碳化硅基片上诱导产生折射率变化结构；

（3）将飞秒激光辐照后的碳化硅基片，利用氢氟酸和硝酸的混合溶液中进行化学湿法腐蚀，去除折射率变化区域；

（4）将氢氟酸和硝酸的混合液腐蚀后的碳化硅基片，分别在丙酮、酒精、去离子水中超声清洗后，得到碳化硅微结构。

进一步的，步骤（1）中，碳化硅基片的晶体类型为任意晶向。

进一步，上述碳化硅基片的晶体类型为立方密排的3C-SiC或者六角密排的4H-SiC或6H-SiC。

进一步，上述碳化硅基片的晶体类型为如<0001>或<0010>。

进一步，上述步骤（2）中，所述气体环境中的气体是空气、N₂、O₂或SF₆。

进一步，上述步骤（2）中，飞秒激光诱导产生的折射率变化结构的深度、宽度和纵横比，由飞秒激光功率、扫描速率、聚焦位置来调控；折射率变化的深度为300μm。

进一步，上述氢氟酸和硝酸的混合溶液，两种溶液的配比关系为：40%的氢氟酸和65%的硝酸按体积比1:1到1:10之间的任意比混合。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明利用飞秒激光辐照与化学湿法腐蚀相结合，制备碳化硅微结构，不需要利用掩模板定义微结构图样；氢氟酸与硝酸的混合液，仅与激光辐照区域反生化学反应，腐蚀选择性好；与常用的干法刻蚀技术相比，腐蚀速率较快，在本方法中，腐蚀速率可达5um/min；在碳化硅深槽的制备中，槽的深度、宽度和纵横比，可通过激光辐照条件实现灵活地调控；值得注意的是，制备的碳化硅微结构，没有杂质元素污染，这对于碳化硅基片与外电路的互连是很有意义的。本发明的方法，可以应用于高功率半导体元件领域和微机械电子系统。

附图说明

图1是本发明所述方法的激光辐照部分的装置图；

图2是本发明制备碳化硅微结构的工艺流程示意图；

图3是利用本发明所述方法制备的折射率变化结构及狭槽的SEM形貌及化学成分测量结果；

图4是实施例3最终制备的碳化硅狭槽的形貌图；

图5是实施例4最终制备的碳化硅狭槽的形貌图。

其中：1为飞秒激光器，2为光路中的孔径光阑，3为可变衰减片，4为控制光通与断的机械快门，5为反射镜，6为CCD，7为飞秒激光光束，8为光学显微物镜，9为碳化硅样品，10为三维移动平台，11为计算机，12为丙酮、酒精或去离子水，13为激光诱导的折射率变化结构，14为氢氟酸和硝酸的混合溶液，15为碳化硅微结构。

具体实施方式

本发明的碳化硅微结构的制备方法，是在气体环境中，利用飞秒激光辐照，通过扫描的方式，在碳化硅基片上诱导产生碳化硅基折射率变化结构，再通过氢氟酸和硝酸的混合液腐蚀，去除折射率变化区域，从而制备碳化硅微结构。本发明适用于各种类型、各种晶向的碳化硅晶体，优先选取常用的六角密排、晶向为<0001>的6H-SiC晶体。该方法具体按照以下步骤进行：

（1）选择碳化硅晶片作为基片，依次在丙酮、酒精、去离子水中超声清洗；其中碳化硅基片的晶体类型为任意晶向，如<0001>或<0010>。或者碳化硅基片的晶体类型选择为立方密排的3C-SiC或者六角密排的4H-SiC或6H-SiC。

（2）在气体环境中（气体是空气、N₂、O₂或SF₆），利用飞秒激光辐照，通过扫描的方式，在碳化硅基片上诱导产生折射率变化结构，其中飞秒激光诱导产生的折射率变化结构的深度、宽度和纵横比，由飞秒激光功率、扫描速率、聚焦位置来调控；折射率变化的深度为300μm。

（3）将飞秒激光辐照后的碳化硅基片，利用氢氟酸和硝酸的混合溶液中进行化学湿法腐蚀，去除折射率变化区域；所述氢氟酸和硝酸的混合溶液，两种溶液的配比关系为：体积比计，40%的氢氟酸和65%的硝酸按体积比1:1到1:10之间的任意比混合。

（4）将氢氟酸和硝酸的混合液腐蚀后的碳化硅基片，分别在丙酮、酒精、去离子水中超声清洗后，得到碳化硅微结构。

下面结合附图和实例，对本发明作进一步详细描述：

图1为本发明所述方法的实验装置图。其中，1为飞秒激光器，激光的脉宽为50fs，重复频率为1kHz，波长为800nm。2为孔径光阑，3为可变衰减片，入射激光的功率可通过旋转3来调节，4为机械快门，控制光束的通与断，5为反射镜，6为CCD，用来实时监测整个激光辐照过程，7为飞秒激光光束，8为光学显微镜，用来将入射光聚焦到样品上，9为碳化硅样品，10为可沿x，y，z三个方向移动的三维移动平台，其移动精度为40nm，11为计算机，在计算机上可以设置平台的移动速率，即激光的扫描速率。在本装置图中，机械快门4、CCD6和三维移动平台10，都与计算机11相连接。

图2为本发明制备碳化硅微结构的工艺流程图。其中，7为飞秒激光束，8为光学显微镜，9为碳化硅样品，12为丙酮或酒精或去离子水，13为激光诱导的折射率变化结构，14为氢氟酸和硝酸的混合液，15为碳化硅微结构。样品的清洗和腐蚀，都是在超声环境中进行的。

根据以上所述装置，以下给出本发明的几个实施例：

实施例1

（1）选择晶向为<0001>，厚度为300μm，双面抛光的6H-SiC晶体作为基片，依次在丙酮、酒精、去离子水中超声清洗，清洗的时间为20mins；

（2）在空气环境中，利用飞秒激光辐照，通过扫描的方式，在碳化硅基片上诱导产生折射率变化区域；在该步骤中，折射率变化结构的深度、宽度以及纵横比，可通过改变激光辐照条件，如激光功率、扫描速率及聚焦条件等，来实现灵活的调控；激光诱导产生的折射率变化深度可达300μm；

（3）将飞秒激光辐照后的碳化硅基片，利用氢氟酸和硝酸的混合溶液中进行化学湿法腐蚀，去除折射率变化区域；在该步骤中，利用质量百分比分别为40%和65%的氢氟酸和硝酸以体积比1：10混合，但两种溶液的浓度和配比不限于此浓度和配比；在超声环境中腐蚀，腐蚀的典型时间为40-60mins，但不限于此范围；在混合液中，氢氟酸和硝酸腐蚀的典型温度为20℃但不限于此温度。

（4）将氢氟酸和硝酸的混合液腐蚀后的碳化硅基片，分别在丙酮、酒精、去离子水中超声清洗，清洗的时间为20mins。

实施例2

本实施例采用的原始材料：双面抛光的6H-SiC，晶向<0001>，厚度为300μm。制备的具体步骤如下：

（1）依次利用丙酮、酒精和去离子水在超声波清洗器中清洗碳化硅，清洗时间各为20mins，如图2（a）所示；

（2）将清洗后的样品固定在三维移动平台10上，选择放大倍数为5×，数值孔径为0.30的光学显微镜8，将飞秒激光束7聚焦在碳化硅基片9上，在计算机11上设定扫描速率为5μm/s，通过调节可变衰减片，将激光功率设定为40mW。通过扫描，在碳化硅基片上诱导产生折射率变化微结构13，如图2（b）所示，其深度约为280μm，半高宽度约为10μm，其纵横比为28，如图3（a）所示；

（3）将（2）中的样品放置在氢氟酸和硝酸的混合液（质量百分比分别为40%和65%的氢氟酸和硝酸以体积比1：1配置，各20mL）中，超声腐蚀60mins，腐蚀去除飞秒激光诱导的折射率变化结构，如图2（c）所示；

（4）将腐蚀后的样品依次在丙酮、酒精和去离子水环境中超声清洗20mins，如图2（d）所示，制备的狭槽的形貌及化学成分如图3（b）、（c）所示。

从图3（b）可以看出，制备的碳化硅狭槽的深度约为280μm，半高宽约为10μm，纵横比为28。图3（c）、（d）为狭槽的化学成分测试结果，可以看出，利用本发明所述方法制备的碳化硅狭槽，没有杂质元素的污染，可以满足半导体元件以及微机械电子系统的需求。

实施例3

本实施例的原始材料：双面抛光的6H-SiC，晶向<0001>，厚度为300μm。具体步骤依次为：

（1）碳化硅基片的清洗过程参考实施例1的相应过程；

（2）将清洗后的碳化硅样品固定在三维移动平台10上，选择放大倍数为5×，数值孔径为0.30的光学显微镜8，将飞秒激光束7聚焦在碳化硅基片9上，在计算机11上设定扫描速率为2μm/s，通过调节可变衰减片，将激光功率设定为30mW。通过扫描，在碳化硅基片上诱导产生折射率变化结构；

（3）飞秒激光辐照后，碳化硅样品的腐蚀过程参考实施例1的相应过程；

（4）腐蚀后样品的清洗过程参考实施例1中的相应过程。

图4为最终制备的碳化硅狭槽的形貌，可以看出：狭槽的深度约为240μm，半高宽度约为10μm，纵横比为24。

实施例4

原始材料：双面抛光的6H-SiC，晶向<0001>，厚度为300μm。

具体步骤依次为：

（1）碳化硅基片的清洗过程参考实施例1的相应过程；

（2）将清洗后的碳化硅样品固定在三维移动平台10上，选择放大倍数为5×，数值孔径为0.30的光学显微镜8，将飞秒激光束7聚焦在碳化硅基片9上，在计算机11上设定扫描速率为1μm/s，通过调节可变衰减片，将激光功率设定为45mW。分别在不同的聚焦条件（z=0，+50μm），通过扫描，在碳化硅基片上诱导产生折射率变化结构；其中，z=0记为像平面的位置，z=+50μm为偏离像平面50μm的位置；

（3）飞秒激光辐照后，碳化硅样品的腐蚀过程参考实施例1的相应过程；

（4）腐蚀后样品的清洗过程参考实施例1中的相应过程。

图5为最终制备的碳化硅狭槽的形貌，可以看出，当z=0时，狭槽的深度为300μm，也就是说，可以通过本发明所述方法，在厚度为300μm的碳化硅样品上制备贯通的狭槽。

Claims (6)

1.一种碳化硅微结构的制备方法，其特征在于，在气体环境中，利用飞秒激光辐照，通过扫描的方式，在碳化硅基片上诱导产生碳化硅基折射率变化结构，再通过氢氟酸和硝酸的混合液腐蚀，去除折射率变化区域，从而制备碳化硅微结构。

2.根据权利要求1所述的碳化硅微结构的制备方法，其特征在于，该方法具体按照以下步骤进行：

(1)选择碳化硅晶片作为基片，依次在丙酮、酒精、去离子水中超声清洗，碳化硅基片的晶体类型为任意晶向；

(2)在气体环境中，利用飞秒激光辐照，通过扫描的方式，在碳化硅基片上诱导产生折射率变化结构，所述气体环境中的气体是空气、N₂、O₂或SF₆；

(3)将飞秒激光辐照后的碳化硅基片，利用氢氟酸和硝酸的混合溶液进行化学湿法腐蚀，去除折射率变化区域；

(4)将氢氟酸和硝酸的混合液腐蚀后的碳化硅基片，分别在丙酮、酒精、去离子水中超声清洗后，得到碳化硅微结构。

3.根据权利要求2所述的碳化硅微结构的制备方法，其特征在于，所述碳化硅基片的晶体类型为立方密排的3C-SiC或者六角密排的4H-SiC或6H-SiC。

4.根据权利要求2所述的碳化硅微结构的制备方法，其特征在于，所述碳化硅基片的晶体类型为<0001>或<0010>。

5.根据权利要求2所述的碳化硅微结构的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，飞秒激光诱导产生的折射率变化结构的深度、宽度和纵横比，由飞秒激光功率、扫描速率、聚焦位置来调控；折射率变化的深度为300μm。

6.根据权利要求2所述的碳化硅微结构的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述氢氟酸和硝酸的混合溶液，两种溶液的配比关系为：体积比计，40％的氢氟酸和65％的硝酸按体积比1:1到1:10之间的任意比混合。