CN106702492A - 一种砷化镓超薄衬底及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种砷化镓超薄衬底及应用，所述砷化镓超薄衬底的形状为正六边形，所述砷化镓超薄衬底的内部包括至少两个边长依次减小的多孔正六边形，呈窝蜂状。其加工方法为材料提纯、多晶料制备、晶体生长、切片、磨边、研磨、腐蚀、粗抛和精抛、清洗、光刻腐蚀，该超薄砷化镓衬底应用于热核电池，可有效增强热核电池对放射源辐射能量的吸收效果，提高转换效率，电池输出的电压和电流可达到0‑4V、0.8‑2A。
Description
技术领域
本发明半导体材料技术领域，尤其涉及一种砷化镓超薄衬底及应用。
背景技术
半导体材料被广泛的应用于热核电池能量转换材料的研究当中，随着半导体材料加工制造技术的提高，使得热核电池的实际应用成为可能。半导体材料制造的热核电池的能量转换效率较高，在输出同样的功率时，可以使用较少的放射性同位素原料，大大减少电池的重量和成本。单晶硅是最早也是最成熟的半导体材料，但是硅材料禁带宽度小，电池的能量转换效率较低。
砷化镓是一种重要的第三代半导体材料，属Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，其不仅具有优异的温度特性和抗辐射特性，而且禁带宽度大，电子迁移率比硅大5～6倍。使用超薄砷化镓衬底作为热核电池能量转换材料，可以得到比运用硅基材料更高的开路电压和能量转换率，电池输出的电压和电流可达到5V1.5A。
由于砷化镓晶片材料本身强度有限，对超薄晶片生产工艺有着较高的要求。目前普遍采用化学机械抛光技术对砷化镓晶片进行过度抛光，单次抛光厚度减薄量保守在10μm以上，且在加工过程中容易发生破损，造成大量材料浪费，生产成本较高。
采用传统加工工艺，砷化镓晶片在各方面技术指标均达不到理想状态，与国际领先水平有差距，影响其能量转换效率。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种砷化镓超薄衬底，所述砷化镓超薄衬底的形状为正六边形，所述砷化镓超薄衬底的内部包括至少两个边长依次减小的多孔正六边形，呈窝蜂状。
其加工方法如下：
1)材料提纯：用西门子法对工业级砷高精度的提纯，得到6N-8N超纯砷原料；通过碱性电解-连续结晶-单晶直拉过程对工业级镓进行提纯，得到6N-8N超纯镓；
2)砷化镓多晶料制备：使用超纯砷、超纯镓多晶合成，得到砷化镓多晶料；
3)晶体生长：采用砷化镓VGF&VB(垂直梯度凝固法&垂直布里奇曼法)单晶生长工艺，制得晶棒；
4)切片：使用多线切割机将晶棒切割出一定厚度的薄片；
5)磨边：采用全自动磨边机对晶片进行磨边，边缘粗糙度Ra为1.9nm；
6)研磨：用研磨机，采用研磨液对晶片进行研磨，晶片TTV小于5μm；
7)腐蚀：用腐蚀液对晶片进行腐蚀；
8)粗抛和精抛：采用非接触式全自动超薄晶片上蜡、下蜡、化蜡机进行粗抛和精抛处理，具体操作规程为：
S1：在下列上蜡参数下，陶瓷盘加热至110℃-115℃，陶瓷盘转速为1450～2060r/min，滴蜡时间为7-16s，烘烤时间为20-30s，将晶片粘贴在上蜡机陶瓷盘上；
S2：使用抛光机，定盘转速为26-94r/min，抛光头转速为26-94r/min，抛光液流量为1.5-6.6mL/min，抛光时间为8-22min，抛光压力为180-200kg，对晶片进行粗抛处理；
S3：通过四个步骤进行化蜡、下蜡，分别为：热水、纯水、一次IPA、二次IPA进行冲洗，二次IPA温度为78℃-85℃；
S4：重复上诉步骤进行精抛处理，直至砷化镓衬底表面粗糙度低于0.3nm、平坦度低于5μm；
9)清洗：
S1：采用全自动兆声波清洗工艺与设备对精抛后的晶片进行清洗，实现晶片表面粗糙度小于0.3nm；
S2：在100级超洁净室环境里，采用非接触式抓取技术，抓取超薄砷化镓衬底，厚度为100μm-400μm，使用纯水有效去除99.9％的晶片表面颗粒，颗粒范围在0.1μm-0.3μm之间；
10)光刻腐蚀：
S1：涂胶：在衬底上涂一层厚度为1μm光刻胶；
S2：前烘：将涂好胶的衬底通过红外烘烤法在100℃下进行烘烤15min，使胶层中的溶剂挥发，增加光刻胶与砷化镓衬底的粘附力，提高和稳定胶膜的感光；
S3：光刻：使用光刻板，然后用紫外线隔着光刻板对超薄砷化镓衬底表面进行一定时间的照射,使得照射部分易于腐蚀，其中光刻板覆盖部分的宽度为4μm；
S4：腐蚀：用一定体积比的氢氧化铵腐蚀液对光刻后的砷化镓衬底进行腐蚀得到正六方形多孔状衬底；
S5：去胶：将带有光刻胶的衬底浸泡在适当的有机溶剂中，使胶膜溶胀后去掉，然后用等离子水冲洗，最后采用氮气烘干。
优选地，所述步骤4)中的切片厚度为100μm-150μm。
优选地，所述步骤6)中的研磨液包括冰粒、绿碳化硅、水、猪油、花生油、氧化锆、氨水、丙酮和气相二氧化硅并按照重量比为2:2:2:4:4:2:2:1:1混合组成。
优选地，所述步骤7)中的腐蚀液包括磷酸、醋酸、柠檬酸、双氧水和水并按照重量比为3：1：4：2：50混合组成。
优选地，所述步骤10)S4中的氢氧化铵腐蚀液包括氨水、双氧水和离子水并按照体积比为1:2:2混合组成。
砷化镓超薄衬底在热核电池中的应用。
所述热核电池包括同位素氚气放射源、缓冲液、砷化镓超薄衬底、热隔离层、外包层和其它重要部件，所述同位素氚气放射源位于热核电池的中间区域，所述同位素氚气放射源的两侧均设有砷化镓超薄衬底，所述砷化镓超薄衬底之间填充有缓冲液，所述砷化镓超薄衬底的外侧设有其它重要部件，所述其它重要部件的外侧设有热隔离层，所述热隔离层的外侧设有外包层，所述其它重要部件包括热电转换部件、制冷部件、吸收辐射部件和产生磁场部件。
热核电池原理：同位素氚气放射源，发生β衰变，产生高速运动β射线电子和热能，半衰期为12.43年。电池利用砷化镓半导体吸收氚β衰变产生的辐射能量(电子、热量)以及利用热电转换部件将热能转化成电能。该砷化镓超薄衬底的同位素衰变能转换机制主要有两种机制：辐射伏特效应能量转换：β射线轰击衬底上后，通过电离效应产生电子空穴对，同时在PN结的内建电场作用下，实现对电子空穴对的分离，即：电子向N区移动，空穴向P区移动，产生电流输出。磁约束下β粒子电磁辐射收集机制：基于β射线电子在高速运动过程中辐射电磁波现象，利用永磁磁场约束β射线电子，使其将能量以电磁波的形式辐射出来，并转换成电流输出。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：
1、本发明中粗抛、精抛、清洗等工艺，使得超薄砷化镓表面技术指标达到先进水平，为进一步进行光刻腐蚀处理提供良好加工超薄砷化镓衬底材料，以保证光刻、腐蚀的均匀性和一致性。
2、该加工方法制备的超薄砷化镓衬底采用光刻腐蚀法使表面加工成正六方形多孔状，正六边形结构的内部还包括至少两个不同深度、边长依次减小的正六边形结构，呈窝蜂状。其目的是为增加对热核电池类放射源辐射出的电子吸收面积，增强吸收效果，提高转换效率。该超薄砷化镓衬底应用于热核电池，可有效增强热核电池对放射源辐射能量的吸收效果，提高转换效率。
3、所采用的加工方法可制备出100μm-400μm的超薄砷化镓衬底，可有效降低生产成本。
4、所采用的加工方法制备出的超薄砷化镓衬底表面相关技术指标达到了：表面粗糙度低于0.3nm、平坦度低于5μm、表面/亚表面无损伤，表面超洁净。
5、使用砷化镓衬底材料与硅材料的热核电池进行对比：耐热、抗辐射性能好；使用时间长，没有辐射衰减；能量转换效率高，为硅的3～5倍，电池输出的电压和电流可达到0-4V、0.8-2A。
附图说明
图1为本发明提出的一种砷化镓超薄衬底的结构示意图。
图2为本发明提出的含有砷化镓超薄衬底的热核电池的结构示意图。
图中：1同位素氚气放射源、2缓冲液、3砷化镓超薄衬底、4其它重要部件、5热隔离层、6外包层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例1
本实施例中，一种砷化镓超薄衬底，砷化镓超薄衬底的形状为正六边形，砷化镓超薄衬底的内部包括至少两个边长依次减小的多孔正六边形。
其加工方法如下：
1)材料提纯：用西门子法对工业级砷高精度的提纯，得到6N-8N超纯砷原料；通过碱性电解-连续结晶-单晶直拉过程对工业级镓提纯，得到6N-8N超纯镓；
2)砷化镓多晶料制备：使用超纯砷、超纯镓多晶合成，得到砷化镓多晶料；
3)晶体生长：采用砷化镓VGF&VB单晶生长工艺，制得晶棒；
4)切片：使用多线切割机将晶棒切割出一定厚度的薄片；
5)磨边：采用全自动磨边机对晶片进行磨边，边缘粗糙度Ra为1.9nm；
6)研磨：用研磨机，采用研磨液对晶片进行研磨，晶片TTV小于5μm；
7)腐蚀：用腐蚀液对晶片进行腐蚀；
8)粗抛和精抛：采用非接触式全自动超薄晶片上蜡、下蜡、化蜡机进行粗抛和精抛处理，具体操作规程为：
S1：在下列上蜡参数下，陶瓷盘加热至110℃，陶瓷盘转速为1450r/min，滴蜡时间为7s，烘烤时间为20s，将晶片粘贴在上蜡机陶瓷盘上；
S2：使用抛光机，定盘转速为26r/min，抛光头转速为26r/min，抛光液流量为1.5mL/min，抛光时间为8min，抛光压力为180kg，对晶片进行粗抛处理；
S3：通过四个步骤进行化蜡、下蜡，分别为：热水、纯水、一次IPA、二次IPA进行冲洗，二次IPA温度为78℃；
S4：重复上诉步骤进行精抛处理，直至砷化镓衬底表面粗糙度低于0.3nm、平坦度低于5μm；
9)清洗：
S1：采用全自动兆声波清洗工艺与设备对精抛后的晶片进行清洗，实现晶片表面粗糙度小于0.3nm；
S2：在100级超洁净室环境里，采用非接触式抓取技术，抓取超薄砷化镓衬底，厚度为100μm，使用纯水有效去除99.9％的晶片表面颗粒，颗粒范围在0.1μm-0.3μm之间；
10)光刻腐蚀：
S1：涂胶：在衬底上涂一层厚度为1μm光刻胶；
S2：前烘：将涂好胶的衬底通过红外烘烤法在100℃下进行烘烤15min，使胶层中的溶剂挥发，增加光刻胶与砷化镓衬底的粘附力，提高和稳定胶膜的感光灵敏度；
S3：光刻：使用光刻板，然后用紫外线隔着光刻板对超薄砷化镓衬底表面进行一定时间的照射,使得照射部分易于腐蚀，其中光刻板覆盖部分的宽度为4μm；
S4：腐蚀：用一定体积比的氢氧化铵腐蚀液对光刻后的砷化镓衬底进行腐蚀得到正六方形多孔状衬底；
S5：去胶：将带有光刻胶的衬底浸泡在适当的有机溶剂中，使胶膜溶胀后去掉，然后用等离子水冲洗，最后采用氮气烘干。
步骤4)中的切片厚度为100μm，步骤6)中的研磨液包括冰粒、绿碳化硅、水、猪油、花生油、氧化锆、氨水、丙酮和气相二氧化硅并按照重量比为2:2:2:4:4:2:2:1:1混合组成，研磨液中冰粒可以降低研磨时产生的温度，猪油、花生油安全无毒，气相二氧化硅能起到较好的防沉降作用。步骤7)中的腐蚀液包括磷酸、醋酸、柠檬酸、双氧水和水并按照重量比为3：1：4：2：50混合组成,步骤10)S4中的氢氧化铵腐蚀液包括氨水、双氧水和离子水并按照体积比为1:2:2混合组成；按比例混合的腐蚀液，其腐蚀边界坡度平缓，底部平坦，腐蚀表面平整光亮，腐蚀速度稳定易控。
砷化镓超薄衬底在热核电池中的应用。热核电池包括同位素氚气放射源1、缓冲液2、砷化镓超薄衬底3、热隔离层5、外包层6和其它重要部件4，同位素氚气放射源1位于热核电池的中间区域，同位素氚气放射源1的两侧均设有砷化镓超薄衬底3，砷化镓超薄衬底3之间填充有缓冲液2，砷化镓超薄衬底3的外侧设有其它重要部件4，其它重要部件4的外侧设有热隔离层5，热隔离层5的外侧设有外包层6，其它重要部件4包括热电转换部件、制冷部件、吸收辐射部件和产生磁场部件，热电转换部件可以形成二次发电，提高氚放射能量的转换效率，制冷部件可以避免电池过热发生爆炸和漏液现象。
实施例2
本实施例中，一种砷化镓超薄衬底，砷化镓超薄衬底的形状为正六边形，砷化镓超薄衬底的内部包括至少两个边长依次减小的多孔正六边形，呈窝蜂状。
其加工方法如下：
1)材料提纯：用西门子法对工业级砷高精度的提纯，得到6N-8N超纯砷原料；通过碱性电解-连续结晶-单晶直拉等过程对工业级镓提纯，得到6N-8N超纯镓；
2)砷化镓多晶料制备：使用超纯砷、超纯镓多晶合成，得到砷化镓多晶料；
3)晶体生长：采用砷化镓VGF&VB单晶生长工艺，制得晶棒；
4)切片：使用多线切割机由晶棒切割出一定厚度的薄片；
5)磨边：采用全自动磨边机对晶片进行磨边，边缘粗糙度Ra为1.9nm；
6)研磨：用研磨机，采用研磨液对晶片进行研磨，晶片TTV小于5μm；
7)腐蚀：用腐蚀液对晶片进行腐蚀；
8)粗抛和精抛：采用非接触式全自动超薄晶片上蜡、下蜡、化蜡机进行粗抛和精抛处理，具体操作规程为：
S1：在下列上蜡参数下，陶瓷盘加热至112.5℃，陶瓷盘转速为1755r/min，滴蜡时间为11.5s，烘烤时间为25s，将晶片粘贴在上蜡机陶瓷盘上；
S2：使用抛光机，定盘转速为60r/min，抛光头转速为60r/min，抛光液流量为4.05mL/min，抛光时间为15min，抛光压力为190kg，对晶片进行粗抛处理；
S3：通过四个步骤进行化蜡、下蜡，分别为：热水、纯水、一次IPA、二次IPA进行冲洗，二次IPA温度为81.5℃；
S4：重复上诉步骤进行精抛处理，直至砷化镓衬底表面粗糙度低于0.3nm、平坦度低于5μm；
9)清洗：
S1：采用全自动兆声波清洗工艺与设备对精抛后的晶片进行清洗，实现晶片表面粗糙度小于0.3nm；
S2：在100级超洁净室环境里，采用非接触式抓取技术，抓取超薄砷化镓衬底，厚度为125μm，使用纯水有效去除99.9％的晶片表面颗粒，颗粒范围在0.1μm-0.3μm之间；
10)光刻腐蚀：
S1：涂胶：在衬底上涂一层厚度为1μm光刻胶；
S2：前烘：将涂好胶的衬底通过红外烘烤法在100℃下进行烘烤15min，使胶层中的溶剂挥发，增加光刻胶与砷化镓衬底的粘附力，提高和稳定胶膜的感光灵敏度；
S3：光刻：使用光刻板，然后用紫外线隔着光刻板对超薄砷化镓衬底表面进行一定时间的照射,使得照射部分易于腐蚀，其中光刻板覆盖部分的宽度为4μm，；
S4：腐蚀：用一定体积比的氢氧化铵腐蚀液对光刻后的砷化镓衬底进行腐蚀得到正六方形多孔状衬底；
S5：去胶：将带有光刻胶的衬底浸泡在适当的有机溶剂中，使胶膜溶胀后去掉，然后用等离子水冲洗，最后采用氮气烘干。
步骤3)中的切片厚度为125μm，步骤5)中的研磨液包括冰粒、绿碳化硅、水、猪油、花生油、氧化锆、氨水、丙酮和气相二氧化硅并按照重量比为2:2:2:4:4:2:2:1:1混合组成，步骤6)中的腐蚀液包括磷酸、醋酸、柠檬酸、双氧水和水并按照重量比为3：1：4：2：50混合组成,步骤9)S4中的氢氧化铵腐蚀液包括氨水、双氧水和离子水并按照体积比为1:2:2混合组成。
砷化镓超薄衬底在热核电池中的应用。热核电池包括同位素氚气放射源1、缓冲液2、砷化镓超薄衬底3、热隔离层5、外包层6和其它重要部件4，同位素氚气放射源1位于热核电池的中间区域，同位素氚气放射源1的两侧均设有砷化镓超薄衬底3，砷化镓超薄衬底3之间填充有缓冲液2，砷化镓超薄衬底3的外侧设有其它重要部件4，其它重要部件4的外侧设有热隔离层5，热隔离层5的外侧设有外包层6，其它重要部件4包括热电转换部件、制冷部件、吸收辐射部件和产生磁场部件，热电转换部件可以形成二次发电，提高氚放射能量的转换效率，制冷部件可以避免电池过热发生爆炸和漏液现象。
实施例3
本实施例中，一种砷化镓超薄衬底，砷化镓超薄衬底的形状为正六边形，砷化镓超薄衬底的内部包括至少两个边长依次减小的多孔正六边形，呈窝蜂状。
其加工方法如下：
1)材料提纯：用西门子法对工业级砷高精度的提纯，得到6N-8N超纯砷原料；通过碱性电解-连续结晶-单晶直拉等过程对工业级镓提纯，得到6N-8N超纯镓；
2)砷化镓多晶料制备：使用超纯砷、超纯镓多晶合成，得到砷化镓多晶料；
3)晶体生长：采用砷化镓VGF&VB单晶生长工艺，制得晶棒；
4)切片：使用多线切割机由晶棒切割出一定厚度的薄片；
5)磨边：采用全自动磨边机对晶片进行磨边，边缘粗糙度Ra为1.9nm；
6)研磨：用研磨机，采用研磨液对晶片进行研磨，晶片TTV小于5μm；
7)腐蚀：用腐蚀液对晶片进行腐蚀；
8)粗抛和精抛：采用非接触式全自动超薄晶片上蜡、下蜡、化蜡机进行粗抛和精抛处理，具体操作规程为：
S1：在下列上蜡参数下，陶瓷盘加热至115℃，陶瓷盘转速为2060r/min，滴蜡时间为16s，烘烤时间为30s，将晶片粘贴在上蜡机陶瓷盘上；
S2：使用抛光机，定盘转速为94r/min，抛光头转速为94r/min，抛光液流量为6.6mL/min，抛光时间为22min，抛光压力为200kg，对晶片进行粗抛处理；
S3：通过四个步骤进行化蜡、下蜡，分别为：热水、纯水、一次IPA、二次IPA进行冲洗，二次IPA温度为85℃；
S4：重复上诉步骤进行精抛处理，直至砷化镓衬底表面粗糙度低于0.3nm、平坦度低于5μm；
9)清洗：
S1：采用全自动兆声波清洗工艺与设备对精抛后的晶片进行清洗，实现晶片表面粗糙度小于0.3nm；
S2：在100级超洁净室环境里，采用非接触式抓取技术，抓取超薄砷化镓衬底，厚度为400μm，使用纯水有效去除99.9％的晶片表面颗粒，颗粒范围在0.1μm-0.3μm之间；
10)光刻腐蚀：
S1：涂胶：在衬底上涂一层厚度为1μm光刻胶；
S2：前烘：将涂好胶的衬底通过红外烘烤法在100℃下进行烘烤15min，使胶层中的溶剂挥发，增加光刻胶与砷化镓衬底的粘附力，提高和稳定胶膜的感光灵敏度；
S3：光刻：使用光刻板，然后用紫外线隔着光刻板对超薄砷化镓衬底表面进行一定时间的照射,使得照射部分易于腐蚀，其中光刻板覆盖部分的宽度为4μm；
S4：腐蚀：用一定体积比的氢氧化铵腐蚀液对光刻后的砷化镓衬底进行腐蚀得到正六方形多孔状衬底；
S5：去胶：将带有光刻胶的衬底浸泡在适当的有机溶剂中，使胶膜溶胀后去掉，然后用等离子水冲洗，最后采用氮气烘干。
步骤4)中的切片厚度为150μm，步骤5)中的研磨液包括冰粒、绿碳化硅、水、猪油、花生油、氧化锆、氨水、丙酮和气相二氧化硅并按照重量比为2:2:2:4:4:2:2:1:1混合组成，步骤7)中的腐蚀液包括磷酸、醋酸、柠檬酸、双氧水和水并按照重量比为3：1：4：2：50混合组成,步骤10)S4中的氢氧化铵腐蚀液包括氨水、双氧水和离子水并按照体积比为1:2:2混合组成。
砷化镓超薄衬底在热核电池中的应用。热核电池包括同位素氚气放射源1、缓冲液2、砷化镓超薄衬底3、热隔离层5、外包层6和其它重要部件4，同位素氚气放射源1位于热核电池的中间区域，同位素氚气放射源1的两侧均设有砷化镓超薄衬底3，砷化镓超薄衬底3之间填充有缓冲液2，砷化镓超薄衬底3的外侧设有其它重要部件4，其它重要部件4的外侧设有热隔离层5，热隔离层5的外侧设有外包层6，其它重要部件4包括热电转换部件、制冷部件、吸收辐射部件和产生磁场部件，热电转换部件可以形成二次发电，提高氚放射能量的转换效率，制冷部件可以避免电池过热发生爆炸和漏液现象。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种砷化镓超薄衬底，其特征在于：所述砷化镓超薄衬底的形状为正六边形，所述砷化镓超薄衬底的内部包括至少两个边长依次减小的多孔正六边形，呈窝蜂状。
2.权利要求1所述的砷化镓超薄衬底在热核电池中的应用。
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| CN201710102563.5A CN106702492A (zh) | 2017-02-24 | 2017-02-24 | 一种砷化镓超薄衬底及应用 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2017-02-24 CN CN201710102563.5A patent/CN106702492A/zh active Pending
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