CN104599949A - 基于SiC衬底片深刻蚀光滑表面的加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于SiC衬底片深刻蚀光滑表面的加工工艺，涉及宽禁带半导体材料深刻蚀技术领域。其包括对衬底进行清洗；光刻图形转移技术在SiC衬底片上进行图形化；超高真空磁控溅射种子层Ni/Cr/Au，实现金属图形化；通过种子层增强衬底导电性；电镀形成微米级厚的刻蚀掩膜层Ni；衬底片与Si片粘合；使用RIE深刻蚀形成深度为72μm的圆形应变膜片；移除Si片和金属掩膜等步骤。本发明具有制备方法简单、操作流程简洁、条件可控等特点。为电子工业产品市场需求宽禁带、高击穿电场、高热导率和高饱和电子漂移速率等特性的高温、高功率、高频、低损耗器件提供技术物质基础。
Description
技术领域
本发明涉及宽禁带半导体深刻蚀加工技术领域，具体指一种机械硬度高、化学稳定性好、抗腐蚀的宽禁带半导体基于SiC衬底片深刻蚀光滑表面的加工工艺。
背景技术
SiC材料现在已经发展成为主要的宽带隙半导体材料之一，拥有多种晶型，SiC具有宽禁带(3.26eV)、高击穿电场(2.3MV/cm)、高热导率(4.9Wcm-1K-1)和高饱和电子漂移速率(2×107cm/s)等特点，而这些特点正是高温、高功率、高频、低损耗器件所需要的，同时也是在微机电系统下制作微型器件的非常有前景的材料，尤其是制作在恶劣环境下应用的器件。由于SiC材料的机械硬度高、化学稳定性好、抗腐蚀，使得SiC器件的制造工艺中传统的湿法刻蚀技术已不再是适用，干法刻蚀技术成为图形化SiC的唯一有效方法。目前，已经广泛研究的干法刻蚀工艺有RIE(Reaction Ion Etching)、ECR(ElectronCyclotron Resonance)、ICP(Inductively Coupled Plasma)等，本发明采用的是RIE对SiC进行深刻蚀。
反应离子刻蚀是一种物理作用和化学作用共存的刻蚀工艺，兼有离子溅射刻蚀和等离子化学刻蚀的优点，不仅有良好的形貌控制能力(偏向于各向异性)、较高的选择比，而且刻蚀速率较快。刻蚀机理为：射频辉光放电，反应气体被击穿，产生等离子体。等离子体中包含正、负离子，长短寿命的游离基和自由电子，可与刻蚀样品表面发生化学反应；同时离子在电场作用下射向样品表面，并对其进行物理轰击。物理和化学的总和作用，完成对样品的刻蚀。对于同一种材料，可能存在多种可以刻蚀的气体，而对SiC进行RIE通常使用F基气体作为刻蚀气体，已经有过的报道有CHF3、CBrF3、CF4、SF6、NF3等F基气体，并加入O2作为刻蚀催化剂，但在微加工中，需要对SiC进行深刻蚀，深刻蚀不仅要求高的刻蚀速率，尤其还要求刻蚀表面无微掩膜效应即获得光滑的刻蚀表面，这在对SiC微加工中是一难点，且目前大多器件已经转向SiC,对SiC深刻蚀加工工艺研究甚少。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中对SiC进行深刻蚀难以获得光滑表面的问题，提出一种基于SiC衬底片深刻蚀光滑表面的加工工艺。本发明通过半导体RCA清洗工艺对衬底进行清洗；通过光刻图形转移技术SiC衬底片上进行图形化，随后使用超高真空磁控溅射种子层Ni/Cr/Au，实现金属图形化，通过种子层增强衬底导电性，有利于电镀金属掩膜层；通过电镀形成微米级厚的刻蚀掩膜层Ni；通过O2清洗刻蚀后，在SF6：O2＝50sccm：10sccm,10Pa,200W刻蚀条件下，使用RIE对衬底进行深刻蚀形成深度为72μm的圆形应变膜片，刻蚀速率为55～70nm/min，获得光滑的刻蚀表面。
如上所述，本发明具有制备方法简单、操作流程简洁、条件可控等特点
附图说明
图1为本发明一种基于SiC衬底片深刻蚀光滑表面的加工工艺流程框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本发明基于SiC衬底片深刻蚀光滑表面的加工工艺(如图1所示)，包括以下步骤：
步骤1，准备SiC衬底片：所述衬底SiC衬底片为经过PVT法生长的晶锭经定向、切割、双面抛光，双面CMP抛光得到3寸的工业化晶片，切取3×2cm2的衬底片进行半导体RCA工艺清洗。
步骤2，光刻图形化：将衬底置于100℃的烘胶台进行烘干，通过匀胶机在衬底上均匀旋涂1μm厚的光刻胶，将其置于烘胶台进行5min前烘，随后使用紫外光刻机对其进行图形化，显影后进行10min坚膜。
步骤3，溅射金属种子层：使用超高真空磁控溅射设备，射频靶位，75W，28℃，保护气Ar流量30sccm,，沉积室压强0.35Pa，衬底转速60rad/min，900s，沉积一层Ni层，25nm～30nm；同样设备条件下，射频靶位，80W，28℃，保护气Ar流量10sccm,沉积室压强0.5Pa，衬底转速60rad/min，1800s，沉积一层Cr层40nm～50nm；同样设备条件下，射频靶位，75W，28℃，保护气Ar流量30sccm,沉积室压强0.35Pa，衬底转速60rad/min，1800s，沉积一层Au层100nm。
步骤4，套刻，图形化：将溅射种子层后的衬底浸泡于丙酮溶液中5min，置于超声池内超声3min，随后浸泡于乙醇99％溶液中并超声15min，然后取出衬底N2吹干，重复步骤3光刻图形化，所用图形一致。
步骤5，电镀金属掩膜层：配制电镀液，准备4×4cm2的Ni块靶材，控制条件为工作电流密度保持在0.1A/dm2，电镀时间为10min，电镀一层Ni层，厚度为2μm～2.3μm。
步骤6，粘合Si片：Si片双面抛光，进行半导体RCA工艺清洗，旋涂光刻胶，将步骤4所得电镀Ni掩膜的衬底浸泡于丙酮溶液中5min，置于超声池内超声3min，随后浸泡于乙醇99％溶液中并超声15min，然后取出衬底放置于通风厨内待乙醇完全挥发，将SiC衬底片与Si片粘合，置于烘胶台10min坚固光刻胶。
步骤7，使用反应离子刻蚀对衬底进行深刻蚀：使用RIE-200NL设备，将步骤6所得衬底置于准备室内，首先使用40sccm的O2在功率为60W，反应室气压为2Pa的条件下对衬底进行12min的清洗刻蚀，随后使用SF6和O2的混合气体，对衬底在附表1参数条件下深刻蚀，共刻蚀24h，所得刻蚀图形完整，深度为72μm，刻蚀速率为55～70nm/min，刻蚀表面无微掩膜效应，即得到光滑的刻蚀表面。
步骤8，移除Si片和金属掩膜：将衬底取出浸泡于丙酮溶液中15min，超声15min，可移除Si片；再将衬底置于HCl:HNO3:H2O＝1:1:3的溶液中浸泡60min，超声25min，移除金属掩膜。
附表1
综上所述，本发明基于SiC衬底片深刻蚀光滑表面的加工工艺，克服了微掩膜现象的出现，即获得了光滑的刻蚀表面。本发明通过半导体RCA清洗工艺对衬底进行清洗；通过光刻图形转移技术在SiC衬底片上进行图形化，随后使用超高真空磁控溅射种子层Ni/Cr/Au，实现金属图形化，避免了使用湿法腐蚀对金属图形化造成的侧蚀、图形掩膜脱落以及难以控制腐蚀速率等问题，且制备方法简单，通过种子层增强衬底导电性，有利于电镀金属掩膜层；通过电镀形成微米级厚的刻蚀掩膜层Ni；本发明不仅避免了湿法腐蚀的不确定性，且操作流程简洁，条件可控，通过附表1中的刻蚀条件，使用RIE深刻蚀形成深度为72μm的圆形应变膜片，刻蚀速率为55～70nm/min，获得光滑的刻蚀表面。为电子工业产品市场需求具有宽禁带(3.26eV)、高击穿电场(2.3MV/cm)、高热导率(4.9Wcm-1K-1)和高饱和电子漂移速率(2×107cm/s)等特性的高温、高功率、高频、低损耗器件提供技术物质基础。
Claims (9)
1.一种基于SiC衬底片深刻蚀光滑表面的加工工艺，其特征在于，厚度为110～130μm，双面抛光，通过反应离子刻蚀制备深度为72μm，直径为1600μm的圆形应变膜片，刻蚀速率为55～70nm/min，包括如下步骤：
步骤1准备SiC衬底片；
步骤2光刻图形化；
步骤3溅射种子层Ni/Cr/Au；
步骤4套刻图形化；
步骤5电镀金属掩膜层Ni；
步骤6粘合Si片；
步骤7反应离子刻蚀图形化；
步骤8移除Si片和金属掩膜。
2.如权利要求1所述的基于SiC衬底片深刻蚀光滑表面的加工工艺，其特征在于，所述步骤1SiC衬底片为经过PVT法生长的晶锭经定向、切割、双面抛光，双面CMP抛光得到的3寸的工业化晶片，，切取3×2cm2的衬底片进行半导体RCA工艺清洗。
3.根据权利要求1所述的基于SiC衬底片深刻蚀光滑表面的加工工艺，其特征在于，所述步骤2光刻图形化，通过匀胶机在衬底上均匀旋涂1μm厚的光刻胶，将其置于烘胶台进行5min前烘，随后使用紫外光刻机对其进行图形化，显影后进行10min坚膜。
4.根据权利要求1所述的基于SiC衬底片深刻蚀光滑表面的加工工艺，其特征在于，所述步骤3溅射种子层Ni/Cr/Au：使用超高真空磁控溅射设备，射频靶位，75W，28℃，Ar流量30sccm,，沉积室压强0.35Pa，衬底转速60rad/min，900s，沉积一层Ni层，25nm～30nm；同样设备条件下，射频靶位，80W，28℃，Ar流量10sccm,沉积室压强0.5Pa，衬底转速60rad/min，1800s，沉积一层Cr层40nm～50nm；同样设备条件下，射频靶位，75W，28℃，Ar流量30sccm,沉积室压强0.35Pa，衬底转速60rad/min，1800s，沉积一层Au层100nm。
5.根据权利要求1所述的基于SiC衬底片深刻蚀光滑表面的加工工艺，其特征在于，所述步骤4套刻图形化：将溅射种子层后的衬底浸泡于丙酮溶液中5min，置于超声池内超声3min，随后浸泡于乙醇99％溶液中并超声15min，然后取出衬底N2吹干，重复步骤2光刻图形化。
6.根据权利要求1所述的基于SiC衬底片深刻蚀光滑表面的加工工艺，其特征在于，所述步骤5电镀金属掩膜层Ni：配制电镀液，准备4×4cm2的Ni块靶材，控制条件为工作电流密度保持在0.1A/dm2，电镀时间为10min，电镀一层Ni层，厚度为2μm～2.3μm。
7.根据权利要求1所述的基于SiC衬底片深刻蚀光滑表面的加工工艺，其特征在于，所述步骤6粘合Si片：双面抛光，进行半导体RCA工艺清洗，旋涂光刻胶，将步骤4所得电镀Ni掩膜的衬底浸泡于丙酮溶液中5min，置于超声池内超声3min，随后浸泡于乙醇99％溶液中并超声15min，然后取出衬底放置于通风厨内待乙醇完全挥发，将衬底片与Si片粘合，置于烘胶台10min坚固光刻胶。
8.根据权利要求1所述的基于SiC衬底片深刻蚀光滑表面的加工工艺，其特征在于，所述步骤7反应离子刻蚀图形化：使用RIE-200NL设备，将步骤6所得衬底置于准备室内，首先使用40sccm的O2在功率为60W，反应室气压为2Pa的条件下对衬底进行12min的清洗刻蚀，随后使用SF6和O2的混合气体，SF6：O2＝50sccm:10sccm，在功率为200W，反应室气压为10Pa的条件下对衬底进行深刻蚀，共刻蚀23h，所得刻蚀图形完整，深度为72μm，刻蚀速率为55～70nm/min，刻蚀表面无微掩膜效应，即得到光滑的刻蚀表面。
9.根据权利要求1所述的基于SiC衬底片深刻蚀光滑表面的加工工艺，其特征在于，所述步骤8移除Si片和金属掩膜：将衬底取出浸泡于丙酮溶液中15min，超声15min，可移除Si片；再将衬底置于HCl:HNO3:H2O＝1:1:3的溶液中浸泡60min，超声25min，移除金属掩膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150506 |