CN104342757B

CN104342757B - 一种稳定使用BOE腐蚀SiO2的缸体

Info

Publication number: CN104342757B
Application number: CN201310316784.4A
Authority: CN
Inventors: 孙永健; 杨海艳
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: CN104342757A

Abstract

一种稳定使用BOE腐蚀SiO₂的缸体设计，所述缸体设计中湿法腐蚀区主要包括缸体部分和图形掩膜制备用特制腐蚀支架；其中缸体部分包括：高、低温酸性溶液腐蚀槽；BOE腐蚀槽；去离子水清洗槽；所述BOE腐蚀槽放入现有高温腐蚀设备中，使图形掩膜腐蚀和湿法腐蚀完美结合，对湿法腐蚀过程进行了整合；所述图形掩膜制备用腐蚀支架，为非固定在设备上的、独立的、设备配套的个体；腐蚀支架由腐蚀托盘及托盘支架组成。通过对缸体的设计改造，能够稳定使用BOE腐蚀SiO₂的工艺，为提高外延生长晶体质量提供PSS产品。

Description

一种稳定使用BOE腐蚀SiO2的缸体

技术领域

本发明涉及一种稳定使用BOE湿法腐蚀SiO₂的缸体设计，属于微电子机械设备技术领域。

背景技术

Ⅲ族氮化物半导体材料，如氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)等，具有宽的直接带隙、高的热导率、化学稳定性好等性质，广泛地应用于微电子器件和光电子器件，如用于照明或背光源的半导体发光二极管(LED)，用于信息存储和激光打印的蓝紫光激光器(LD)以及紫外(UV)探测器和高频高功率的晶体管等，目前对Ⅲ族氮化物半导体材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点。随着GaN基第三代半导体材料的兴起，蓝色以及白色发光二级管(LED)的研制成功，发光强度和发光效率的不断提高，LED已经被公认为最有可能进入通用照明领域的新型固态冷光源，因而在近年来成为全球关注的焦点。与传统照明光源相比，白炽灯的发光效率为151m/W，荧光灯发光效率为70—1001m/W，目前国外产业化的功率型LED光效为801m/W，而理论预测LED发光效率可以达到3001m/W，因而，现阶段LED的发光效率偏低和光通量成本偏高是制约其大规模进入照明领域的两大瓶颈，要逐步取代现有照明光源，还需要进一步提高LED的发光效率。

目前制备黄、绿、蓝、白、紫外发光二极管和激光二极管光电子器件，主要用GaN材料。传统的GaN材料生长是在诸如蓝宝石、硅、碳化硅衬底上进行的，可是这些衬底的晶格常数和热膨胀系数与GaN的相比相差很大，这导致GaN基生长层的穿透位错密度高达108-1010cm^-2。高位错密度的存在限制了光电子器件性能的进一步提高，因此降低其位错密度势在必行。

于是人们研发出，在蓝宝石衬底上先蒸镀一层SiO₂后，在该衬底上实施外延生长技术，以利于减少GaN基生长层的位错密度，利于提高晶体的品质，改善器件性能。但是，这种制备衬底的方法容易引进杂质、增加应力，限制晶体品质的提高。后来研发一种采用干蚀刻法制备图形化蓝宝石衬底技术即是现在大家所知的PSS。

制备PSS图形化蓝宝石衬底现行的方法主要是干法刻蚀和湿法腐蚀两种工艺方法。干法刻蚀PSS主要是通过在蓝宝石衬底上涂覆厚膜光刻胶，利用曝光技术在光刻胶上刻出图形，并以其为掩膜用ICP(等离子诱导刻蚀设备)等干法刻蚀设备进行干法刻蚀，得到最后的蓝宝石图形衬底。干法刻蚀制备图形化蓝宝石衬底是目前PSS衬底制备的主要生产工艺，其主要特点是生产较为稳定。然而，由于使用ICP(等离子诱导刻蚀设备)设备，极大地增加了制备成本，降低了产能。使用ICP设备制备PSS，目前一次制备最高数量为22片，需用时40分钟以上，且由于刻蚀需要光刻胶做掩膜，这也对于前段的光刻工艺提出了很高的要求，光刻胶掩膜厚度均匀性等工艺要求极高。同时，由于设备均匀性问题，其并不适合4英寸甚至6英寸图形化蓝宝石衬底的制备。同时，在用干法刻蚀制备图形衬底时容易对蓝宝石衬底表面，特别是台面边缘部位，造成一定的污染和损伤，不利于外延层晶体质量的进一步提高。在外延生长过程中，反应物在衬底的台面，槽中包括槽侧壁上都生长，并且侧壁生长物会和台面侧向外延层结合。而侧壁面是由干法刻蚀形成的被严重损伤的面，在这种面上生长的物质必然有非常高的位错密度，其中部分位错将延伸到上层侧向外延层中，必将降低外延层质量，不利于进一步提高器件性能。

而湿法刻蚀技术的出现可以有效地改善上述问题。湿法腐蚀工艺制备蓝宝石图形衬底的步骤主要是：蓝宝石衬底上蒸镀二氧化硅膜，利用光刻技术在二氧化硅上刻出光刻胶的图形，之后BOE腐蚀二氧化硅形成图形的转移后去胶，再利用酸腐蚀在蓝宝石上刻出图形，修饰好图形后的晶片最后用HF去掉二氧化硅膜，已得到最终的蓝宝石图形衬底PSS。使用湿法腐蚀制备图形衬底的主要优点是可以一次性制备大量的图形衬底，生产率大大提高，同时，由于腐蚀蓝宝石衬底无需消耗SiO₂，因此，对前面的工艺要求降低，从而降低工艺成本。同样的，湿法腐蚀制备图形衬底不受衬底尺寸影响，可以适用于4英寸、6英寸的蓝宝石图形衬底制备。因此，其技术发展受到了衬底制备行业的广泛关注。

现有BOE湿法腐蚀SiO₂速率过快很难控制，且晶片主要是竖直放入卡塞中，再把装有晶片的卡塞放入腐蚀槽内进行腐蚀，这种操作方式很容易造成腐蚀不均匀，反而给制备图形衬底增加了困难。然而，目前并没有专门用于湿法腐蚀制备图形化衬底的设备，目前常用的湿法腐蚀方法在蓝宝石衬底上制备图形衬底的湿法腐蚀设备多为LED制备工艺的单纯高温腐蚀设备，其设计主要是针对制备LED芯片，只包含控温和酸腐蚀功能。而制备湿法图形衬底中所需要的针对SiO₂掩膜图形化制备功能、去掩膜功能等均无法实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稳定使用BOE腐蚀SiO₂的缸体设计，以解决现有湿法腐蚀制备蓝宝石图形衬底腐蚀过程操作因素不稳定的需求。

本发明提供的技术方案如下：

一种稳定使用BOE腐蚀SiO₂的缸体设计，其特征是，所述缸体设计中湿法腐蚀区主要包括缸体部分和图形掩膜制备用特制腐蚀支架；

其中缸体部分包括：高、低温酸性溶液腐蚀槽；BOE腐蚀槽；去离子水清洗槽；

所述BOE腐蚀槽(见图1-图4)放入现有高温腐蚀设备中，使图形掩膜腐蚀和湿法腐蚀完美结合，对湿法腐蚀过程进行了整合；

所述高、低温酸性溶液腐蚀槽位于图形掩膜制备腐蚀区后方(远离操作人员位置为后方)；

所述BOE腐蚀槽位于图形掩膜制备腐蚀区左前方(靠近操作人员位置为前方)；

所述去离子水(亦称为D.I.Water)清洗槽位于图形掩膜制备腐蚀区右前方；去离子水清洗槽的加入是为了能够更好地组织各腐蚀的反应便于操作；

所述图形掩膜制备用腐蚀支架(见图5-6，简称腐蚀支架)，为非固定在设备上的、独立的、设备配套的个体；腐蚀支架由腐蚀托盘及托盘支架组成，腐蚀支架的底部为圆形水平托盘，托盘沿盘直径两端做支撑，上端有手柄相连，且手柄上要有和手型相对应的防滑凹槽(握痕纹)；腐蚀托盘为具有一定厚度的圆形托盘(其直径和厚度可依据BOE腐蚀槽设定)，托盘正面为按一定间距排列的容纳相应尺寸晶片的浅槽；腐蚀支架托盘上分布有贯穿托盘正反面的孔洞(孔洞直径大小可根据承载晶片的浅槽间距设定)，孔洞的排列、尺寸、数量按照托盘直径尺寸及晶片浅槽数量分布确定；托盘及孔洞的设计是为了在保证晶片均匀腐蚀，减小水的张力和浮力同时，保证被腐蚀的晶片能随托盘顺利的进入槽体；图形掩膜制备用腐蚀支架的设计主要是为了在使用BOE腐蚀SiO₂时能够稳定工艺而特别设计的，支撑架的作用是在腐蚀过程中及其之后的动作，使托盘在排除人为的情况下保持水平平衡，已达到每片晶片在腐蚀的速度、温度和时间上保持一致。

其中，所述BOE腐蚀槽体的材料为石英、陶瓷、塑料或其他能抗氢氟酸和氟化铵溶液的材料。

所述去离子水清洗槽体的材料为石英、陶瓷、塑料或其他能抗氢氟酸和氟化铵溶液的材料。

所述腐蚀托盘的直径在12.6-50cm之间。

所述浅槽的直径在5.1-31cm之间，若腐蚀2英寸晶片，浅槽直径在5.1-5.2cm之间，若腐蚀12英寸晶片，浅槽直径30.5-31cm之间，可按实际晶片尺寸情况需要制作托盘。

所述缸体部分各槽体的截面形状均同为圆形、椭圆形或矩形。

本发明的有益效果：通过对缸体的设计改造，能够稳定使用BOE腐蚀SiO₂的工艺，为提高外延生长晶体质量提供PSS产品。

附图说明

图1-图4腐蚀槽平面示意图。

图1椭圆形槽腐蚀区分区示平面示意图；

图2矩形槽腐蚀区分区示平面示意图；

图3椭圆形腐蚀槽体平摊式示意图；

图4矩形腐蚀槽体平摊式示意图。

其中，101-高温酸性溶液腐蚀槽，102-低温酸性溶液腐蚀槽，103-BOE腐蚀槽，104-D.I.Water清洗槽(去离子水清洗槽)。

图5腐蚀托盘平面示意图。其中，

501-托盘上的孔洞；502-放晶片的位置；503-湿法腐蚀托盘。

图6腐蚀支架及托盘侧面示意图。其中，601-托盘支架，602-手柄，603-托盘。

具体实施方式

实施例1：2英寸晶片实施例

图形掩膜制备用腐蚀支架(参图5-6，以下实施例中简称腐蚀支架)为非固定在设备上的、独立的、设备配套的个体；腐蚀支架由腐蚀托盘及托盘支架组成，腐蚀支架的底部为圆形水平托盘，托盘沿盘直径两端做支撑，上端有手柄相连，且手柄上要有和手型相对应的防滑凹槽(握痕纹)；腐蚀托盘为具有一定厚度的圆形托盘(其直径在12.6-50cm之间，其直径和厚度可依据BOE腐蚀槽设定)，托盘正面为按一定间距排列的容纳相应尺寸晶片的浅槽，浅槽直径在5.1-5.2cm之间(可按实际晶片尺寸情况需要制作托盘)；腐蚀支架托盘上分布有贯穿托盘正反面的孔洞(孔洞直径大小可根据承载晶片的浅槽间距设定)，孔洞的排列、尺寸、数量按照托盘直径尺寸及晶片浅槽数量分布确定。其特征在于所述此圆形托盘及孔洞设计是为了在保证晶片均匀腐蚀，减小水的张力和浮力同时，保证被腐蚀的晶片能随托盘顺利的进入槽体；图形掩膜制备用腐蚀支架的设计主要是为了在使用BOE腐蚀SiO₂时能够稳定工艺而特别设计的，支撑架的作用是在腐蚀过程中及其之后的动作，使托盘在排除人为的情况下保持水平平衡，已达到每片晶片在腐蚀的速度、温度和时间上保持一致。

该设备腐蚀区域长55cm，宽40cm，由6个腐蚀槽体组成，腐蚀槽体材质为石英，用挡板分成前后两个腐蚀大区(靠近操作人员位置为前，远离操作人员位置为后。且该设备腐蚀区域长宽可根据需要进行调整，以上数据为最小尺寸)。后区为高、低温酸性溶液腐蚀槽，左侧为高温酸性溶液腐蚀槽，右侧为低温酸性溶液腐蚀槽(左右腐蚀槽可互换)。前区左侧为BOE腐蚀槽体，中间为去离子水清洗槽，右侧上方为丙酮槽，右侧下方为HF腐蚀槽。其中高、低温酸性溶液腐蚀槽、BOE腐蚀槽和去离子水清洗槽的槽体截面均为圆形(椭圆形亦可参图1、图3)，直径15cm；各槽体深5cm(各槽体的深度可以不同，但在腐蚀支架进入腐蚀槽体的溶液时，槽体底部与腐蚀支架托盘底部间距至少2cm，腐蚀支架托盘上端与液面间距至少2cm)。

该设备的腐蚀支架(参图6)包括托盘支架、手柄和托盘，材质均为石英。其中，托盘支架为2根石英棒，用于连接托盘和手柄，并对托盘其支撑作用，所述支架一端焊接在手柄上，另一端焊接在托盘上。托盘直径12.6cm，厚度1cm，托盘上有载片浅槽多个，每个浅槽的直径5.1cm，深度0.1cm；浅槽之间分布有若干孔洞。

实施例2：12英寸晶片实施例(单片)

该设备腐蚀区域长160cm，宽120cm；其中高、低温酸性溶液腐蚀槽、BOE腐蚀槽和去离子水清洗槽的槽体截面均为矩形(参图2、图4)，直径40cm；各槽体深5cm(各槽体的深度可以不同，但在腐蚀支架进入腐蚀槽体的溶液时，槽体底部与腐蚀支架托盘底部间距至少2cm，腐蚀支架托盘上端与液面间距至少2cm)。

该设备的腐蚀支架(参图6)包括托盘支架、手柄和托盘，材质均为石英。其中，托盘支架为2根石英棒，用于连接托盘和手柄，并对托盘其支撑作用，所述支架一端焊接在手柄上，另一端焊接在托盘上。托盘直径33cm，厚度1cm，托盘上有载片浅槽多个，每个浅槽的直径30.5cm，深度0.1cm；浅槽之间分布有若干孔洞。

Claims

1.一种稳定使用BOE腐蚀SiO₂的缸体，其特征是，所述缸体中湿法腐蚀区主要包括缸体部分和图形掩膜制备用特制腐蚀支架；

其中缸体部分包括：高、低温酸性溶液腐蚀槽(101，102)；BOE腐蚀槽(103)；去离子水清洗槽(104)；

所述高、低温酸性溶液腐蚀槽位于图形掩膜制备腐蚀区后方；

所述BOE腐蚀槽位于图形掩膜制备腐蚀区左前方；

所述去离子水清洗槽位于图形掩膜制备腐蚀区右前方；

所述图形掩膜制备用腐蚀支架，为非固定在设备上的、独立的、设备配套的个体；腐蚀支架由腐蚀托盘(603)及托盘支架(601)组成，腐蚀支架的底部为圆形水平托盘，托盘沿盘直径两端做支撑，上端有手柄相连，且手柄上要有和手型相对应的防滑凹槽；腐蚀托盘为具有一定厚度的圆形托盘，托盘正面为按一定间距排列的容纳相应尺寸晶片的浅槽；腐蚀支架托盘上分布有贯穿托盘正反面的孔洞。

2.如权利要求1所述的缸体，其特征是，所述BOE腐蚀槽体的材料为石英、陶瓷、塑料或其他能抗氢氟酸和氟化铵溶液的材料。

3.如权利要求1所述的缸体，其特征是，所述去离子水清洗槽体的材料为石英、陶瓷、塑料或其他能抗氢氟酸和氟化铵溶液的材料。

4.如权利要求1所述的缸体，其特征是，所述腐蚀托盘的直径在12.6-50cm之间。

5.如权利要求1所述的缸体，其特征是，所述浅槽的直径在5.1-31cm之间。

6.如权利要求1所述的缸体，其特征是，所述缸体部分各槽体的截面形状均同为圆形、椭圆形或矩形。