CN105543980A - 一种硒化铋材料的化学刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硒化铋材料的化学刻蚀方法，其包括以下步骤：(1)制作掩膜：所述掩膜为光刻掩膜，其使用标准光刻技术制作，附着于硅衬底上的硒化铋材料之上；(2)配制刻蚀剂：所述刻蚀剂为重铬酸钾复合酸溶液，其配制方法为，由以下组分按照一定比例混匀而成，体积百分比为9％的重铬酸钾饱和水溶液、体积百分比为48％的浓盐酸、体积百分比为98％的浓硫酸；(3)刻蚀：利用步骤(3)制得的重铬酸钾复合酸溶液蚀刻液，对附着步骤(1)制得的附着光刻掩膜的硒化铋材料进行刻蚀。本发明工艺简单、操作便捷、成本低廉、效果显著，其具有被刻蚀的硒化铋材料表面平整，符合化学计量比，且刻蚀速率便于控制等有益效果。

Description

一种硒化铋材料的化学刻蚀方法
技术领域
本发明涉及一种硒化铋材料的化学刻蚀方法。
背景技术
硒化铋(Bi2Se3)是一种传统的热电材料，近年来有研究发现其为强拓扑绝缘体量子材料，而且其体能带隙较宽(～0.3eV)，是最有可能实现室温应用的拓扑绝缘体材料之一，在将硒化铋制作为各种热电能源器件与微型量子器件工艺中，刻蚀是十分必要的步骤。目前刻蚀技术主要分为干法刻蚀与湿法刻蚀两种，干法刻蚀所需等离子体设备昂贵，操作复杂，而且对材料的刻蚀无选择性，因此对掩膜的损伤较大；湿法刻蚀又分为电化学刻蚀和化学刻蚀等多种，其中化学刻蚀无需使用大型机电设备，操作简便，成本较低，适用范围广因此被广泛采用。硒化物和碲化物的刻蚀一般需要采用酸性溶剂，至今已公开的Bi2Se3刻蚀剂包括：第(1)类——碘、溴基刻蚀剂，典型的如碘盐与溴盐混合酒精溶剂，参见文献MaterialsResearchBulletin36，2251(2001)；第(2)类——硝酸(HNO3)和盐酸(HCl)的水溶液(即稀王水)，参见文献：Microsyst.Technol.17,1283(2011)、IEEETrans.Ind.Electron.57,86(2010)、J.Electron.Mater.39,1516(2010)、J.Micromech.Microeng.18,064008(2008)；第(3)类——重铬酸钾(K2Cr2O7)的酸溶液，如重铬酸钾(K2Cr2O7)与硫酸(H2SO4)的混合溶液刻蚀剂，参见文献：arXiv:1108.1465v1；以及重铬酸钾与溴酸(HBr)的混合溶液刻蚀剂，参见文献：arXiv:1212.1225v1。
然而，使用现有刻蚀剂对硒化铋材料进行刻蚀时均存在有一定技术限制，第(1)类——碘、溴基刻蚀剂刻蚀速度慢，主要目的是用于对硒化铋进行表面刻蚀以显露缺陷蚀坑形貌；第(2)类——王水类刻蚀剂则存在刻蚀速率过快与刻蚀不均匀的问题，不易获得平整的刻蚀界面，尤其是在刻蚀硒化铋薄膜材料时，在膜与衬底界面处的刻蚀速率太快易造成膜层脱落；第(3)类——刻蚀剂可以获得平整的刻蚀界面和可控的刻蚀速率，但我们近期的研究发现随着重铬酸钾刻蚀剂中酸溶液的类型不同，硒和铋成分的刻蚀速度相差较大，因此随着刻蚀的进行容易造成硒化铋材料的表面偏离化学计量比。如图1所示为经重铬酸钾与浓硫酸混合溶液腐蚀过的硒化铋薄膜样品表面扫描电子显微镜(SEM)形貌图，经X射线能谱仪(EDS)检测，该硒化铋样品表面轻微富硒，而表面大量的纳米小颗粒突起中硒含量远超铋含量，因此可能为硒化铋表面的铋被刻蚀后残留的富硒残留物。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何克服现有技术的上述缺陷，提供一种硒化铋材料的化学刻蚀方法。
为解决上述技术问题，本硒化铋材料的化学刻蚀方法包括以下步骤：
(1)制作掩膜：所述掩膜为光刻掩膜，其使用标准光刻技术制作，附着于硅衬底上的硒化铋材料之上；
(2)配制刻蚀剂：所述刻蚀剂为重铬酸钾复合酸溶液，其配制方法为，由以下组分按照一定比例混匀而成，体积百分比为9％的重铬酸钾饱和水溶液、体积百分比为48％的浓盐酸、体积百分比为98％的浓硫酸；
(3)刻蚀：利用步骤(3)制得的重铬酸钾复合酸溶液蚀刻液，对附着步骤(1)制得的附着光刻掩膜的硒化铋材料进行刻蚀。
如此设计，是由于我们的研究发现，采用重铬酸钾与浓硫酸的混合刻蚀液会导致被刻蚀的硒化铋表面轻度富硒，而采用重铬酸钾与浓盐酸的刻蚀液会导致硒化铋表面富铋。而本发明采用重铬酸钾、浓盐酸和浓硫酸混合溶液，可以使硒化铋在前述两种刻蚀液中表现出的偏离化学计量比的刻蚀特性相互补偿，从而保持刻蚀过程中硒化铋表面符合化学计量比要求。另外，通过灵活调配酸溶液与重铬酸钾溶液的体积比来改变刻蚀液中酸根[H+]浓度，可在保证刻蚀界面平整和成分不变的前提下实现对刻蚀速率的有效控制。该方法能实现室温环境下15～500nm/min的刻蚀速度，且操作简单，通过控制刻蚀时间，也可以较为精确地控制刻蚀深度。
作为进一步组分含量限定，步骤(2)所述的重铬酸钾复合酸溶液，硫酸根[SO4 2-]与盐酸根[Cl-]摩尔浓度比为1.5：1。。
作为进一步组分含量限定，步骤(2)所述的重铬酸钾复合酸溶液中重铬酸钾的摩尔浓度为0.01～0.04mol/L。
本发明一种硒化铋材料的化学刻蚀方法工艺简单、操作便捷、成本低廉、效果显著，其具有被刻蚀的硒化铋材料表面平整，符合化学计量比，且刻蚀速率便于控制等有益效果。
附图说明
下面结合附图对本发明一种硒化铋材料的化学刻蚀方法作进一步说明：
图1为背景技术中涉及的重铬酸钾与浓硫酸混合溶液腐蚀过的硒化铋薄膜样品表面扫描电子显微镜(SEM)形貌图。
图2为本硒化铋材料的化学刻蚀方法中步骤(1)所述的带掩膜的硒化铋材料的示意图。
图3为本硒化铋材料的化学刻蚀方法中在硅衬底上生长的硒化铋薄膜材料经重铬酸钾复合酸溶液刻蚀后，用SEM测得的平整刻蚀剖面图(硒化铋掩膜已去除)。
图4为本硒化铋材料的化学刻蚀方法中硒化铋材料的刻蚀深度—刻蚀时间曲线。
具体实施方式
实施例1：一种对硅衬底上外延的硒化铋单晶薄膜进行刻蚀的方法，首先使用标准光刻技术在硅衬底上外延的硒化铋单晶薄膜上制作如图2所示的掩膜，并利用台阶仪测得掩膜厚度h’；然后用摩尔浓度为0.02mol/L的重铬酸钾，体积配比为1.5:1的浓硫酸和浓盐酸溶液，制得重铬酸钾复合酸溶液；使用重铬酸钾复合酸溶液刻蚀25秒，并用台阶仪测得刻蚀后掩膜的厚度h。实验证明该重铬酸钾复合酸溶液对掩膜无腐蚀作用，因此h-h’即为刻蚀的厚度。刻蚀以150纳米/分钟的速度稳定进行，最终在硒化铋单晶表面制得了平整表面，采用EDS测得表面未偏离化学计量比。继续刻蚀40秒后，硅衬底上硒化铋单晶薄膜被完全刻蚀已露出硅衬底表面，而刻蚀沿薄膜水平方向均匀进行，去除掩膜后用SEM测得近似于垂直的刻蚀剖面，薄膜与衬底结合良好，如图3所示，表明该刻蚀液不会导致薄膜脱落。本实施例得到如图4所示刻蚀深度随刻蚀时间变化的曲线，可以看到刻蚀深度随时间变化基本为线性关系，说明通过控制刻蚀时间就可实现刻蚀深度的控制。刻蚀剂中重铬酸钾摩尔浓度为0.02mol/L，浓硫酸和浓盐酸溶液体积配比为1.5:1，刻蚀以150纳米/分钟的速度进行，最终制得了平整表面，采用EDS测得表面未偏离原薄膜的化学计量比。
实施例2：一种对解理后硒化铋单晶体薄片进行刻蚀的方法，首先使用标准光刻技术在解理后硒化铋单晶体薄片上制作如图2所示的掩膜，然后用摩尔浓度为0.03mol/L的重铬酸钾，体积配比为1.5:1的浓硫酸和浓盐酸溶液，制得重铬酸钾复合酸溶液；使用重铬酸钾复合酸溶液刻蚀30秒，并用利用台阶仪测得刻蚀厚度为120nm，得到刻蚀速率为60纳米/分钟，最终在硒化铋单晶表面制得了平整表面。
实施例3：一种对硅衬底上外延的硒化铋单晶薄膜(膜厚300nm)进行刻蚀的方法，首先使用标准光刻技术在硅衬底上外延的硒化铋单晶薄膜上制作如图2所示的掩膜，然后用摩尔浓度为0.012mol/L的重铬酸钾，体积配比为1.5:1的浓硫酸和浓盐酸溶液，制得重铬酸钾复合酸溶液；使用重铬酸钾复合酸溶液刻20秒后，测得刻蚀厚度为150nm，得到刻蚀速率为450纳米/分钟，在硒化铋单晶表面制得了平整表面，采用EDS测得表面未偏离化学计量比。
上述对本征硒化铋材料进行刻蚀的方法同样适用于对掺杂硒化铋材料进行刻蚀。采用与实施例1所述同样的方法，对硅衬底上生长的掺杂摩尔比5％的钙元素硒化铋薄膜进行刻蚀，并使用台阶仪和EDS分别测量刻蚀深度和表面成分。
上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种硒化铋材料的化学刻蚀方法，其特征是：该方法包括以下步骤：
(1)制作掩膜：所述掩膜为光刻掩膜，其使用标准光刻技术制作，附着于硅衬底上的硒化铋材料之上；
(2)配制刻蚀剂：所述刻蚀剂为重铬酸钾复合酸溶液，其配制方法为，由以下组分按照一定比例混匀而成，体积百分比为9％的重铬酸钾饱和水溶液、体积百分比为48％的浓盐酸、体积百分比为98％的浓硫酸；
(3)刻蚀：利用步骤(3)制得的重铬酸钾复合酸溶液蚀刻液，对附着步骤(1)制得的附着光刻掩膜的硒化铋材料进行刻蚀。
2.如权利要求1所述的硒化铋材料的化学刻蚀方法，其特征在于：步骤(2)所述的重铬酸钾复合酸溶液，硫酸根[SO4 2-]与盐酸根[Cl-]摩尔浓度比为1.5：1。
3.如权利要求1所述的硒化铋材料的化学刻蚀方法，其特征在于：步骤(2)所述的重铬酸钾复合酸溶液中重铬酸钾的摩尔浓度为0.01～0.04mol/L。
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