CN107910284B - 一种面向第三代半导体材料的加工装置 - Google Patents

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Abstract

一种面向第三代半导体材料的加工装置，包括反应装置、操作台和支撑装置；反应装置的内部为反应腔，且上下两端盖有上盖和下盖；反应腔的侧壁设有刻蚀液注入口和刻蚀液排出口；反应腔内部设有搅拌励磁线圈、导电棒、加热棒、密封圈和工件；搅拌励磁线圈安装于上盖的正下方；导电棒和加热棒分别呈圆周对称紧贴于反应腔的腔壁内；密封圈设有两件，安装于反应腔的底部，并且密封圈套接于下盖内；工件安装于两个密封圈之间；上盖的中间开设有第一通孔；反应腔的底部、密封圈和下盖的中间均开设有同轴度的第二通孔；本发明提出的加工装置，克服难以高效地在第三代半导体材料上加工出规则的纳米微结构的问题，实现第三代半导体材料高效可控加工。

Description

一种面向第三代半导体材料的加工装置
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，尤其涉及一种面向第三代半导体材料的加工装置。
背景技术
随着科学技术的发展，对能在高温、高频、大功率、强辐射等极端条件下能稳定工作的电子器件的需求越来越迫切。相比第一代和第二代半导体材料，以GaN和SiC为代表的第三代宽带隙(2.3eV-3.3eV)半导体材料具有更高的硬度(克氏硬度为3000Kg/mm2)、更高的热导率(EK＝4.9Wcm-1K-1)、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力(>105W/cm2)，同时具有化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质，在高温、高频、抗辐射及大功率器件应用方面有着广阔的前景。目前，第三代半导体材料的研究与应用是目前全球半导体领域研究的前沿和热点。但是，正是由于第三代半导体高硬度、高稳定性、耐高温等特性，同时也给加工带来了极大的挑战。
中国发明专利CN102290332B、欧洲发明专利EP2439766A1、美国发明专利US6762134等采用金属辅助化学刻蚀工艺，通过贵金属纳米粒子的催化，可用氢氟酸和氧化剂(过氧化氢、硝酸铁、高锰酸钾等)的混合溶液刻蚀硅和GaAs等半导体材料，从而加工出各种大深宽比的微孔、纳米线和微纳结构。由于以硅(Si)为代表的第一代半导体纳米材料和以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体纳米材料的带隙均小于1.5eV，低于刻蚀液中氧化剂的氧化还原电势，因此无须施加外部物理场即可被刻蚀加工出各类微结构。但是，第三代半导体材料的带隙一般均大于3eV，远高于刻蚀液中氧化剂的氧化还原电势，使得传统刻蚀工艺无法定向加工第三代半导体材料。
中国专利CN 100449710、CN 101748459和美国专利US2010140099等提出的电化学装置直接将半导体材料浸没于反应液中，只须施加小的电压差即可发生氧化还原反应。然而，当上述电化学装置用于刻蚀第三代半导体时，由于无法直接在半导体材料上产生足够大的压降，从而无法达到高效可控的加工效果。此外，这种方法只能加工出随机排列的多孔结构，无法加工出有序排列的孔阵列、槽及纳米线阵列。
综上所述，目前仍缺乏面向第三代半导体材料加工的有效刻蚀方法与装置，亟需进一步提出一种可在第三代半导体材料上加工出有序复杂微结构的高效方法和装置。
发明内容
本发明的目的在于提出一种面向第三代半导体材料的加工装置，克服了难以高效地在第三代半导体材料上加工出规则的纳米线、纳米孔和纳米槽等微结构的问题，实现第三代半导体材料高效可控加工。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种面向第三代半导体材料的加工装置，包括反应装置、操作台和支撑装置；所述反应装置为圆柱形盒体，该圆柱形盒体内部为反应腔，并且所述圆柱形盒体的上下两端盖有上盖和下盖；
所述反应腔的侧壁设置有刻蚀液注入口和刻蚀液排出口，所述刻蚀液注入口位于所述刻蚀液排出口上方，所述刻蚀液排出口与所述反应腔底部平面相切；
所述反应腔的内部还设置有搅拌励磁线圈、导电棒、加热棒、密封圈和工件；所述搅拌励磁线圈安装于所述上盖的正下方；所述导电棒和所述加热棒分别呈圆周对称紧贴安装于所述反应腔的腔壁内，并且相互间隔分布；所述密封圈设有两件，安装于所述反应腔的底部，并且所述密封圈通过所述下盖内面对应开设的卡槽套接于所述下盖内；所述工件安装于两个所述密封圈之间；
所述上盖的中间开设有第一通孔；所述反应腔的底部、所述密封圈和所述下盖的中间均开设有同轴度的第二通孔；所述反应装置竖直安装于所述支撑装置的中部，并且由其两端的第一通孔、第二通孔与所述操作台电气连接。
进一步说明，所述反应装置还设置有检查调节装置，所述检查调节装置包括离子浓度器、恒温调节器和液面高度检查器，三者沿轴中心对称安装于所述反应腔的内壁上，并且相互间隔分布。
进一步说明，所述支撑装置包括支撑架、上夹板、下夹板和螺栓连接件；所述上夹板安装于所述支撑架的顶部，且上夹板的中部开设有安装通孔，所述反应装置固定安装于所述安装通孔内；所述下夹板通过所述螺栓连接件安装于所述上夹板的下方，所述下盖连接于所述下夹板的上表面。
进一步说明，任意一个所述密封圈内嵌有八个压力传感器，所述压力传感器呈圆周对称分布，并通过电气连接于所述操作台；所述密封圈两端面的平整度＜0.01mm。
更优选的，所述反应腔为有机玻璃材料，且内壁涂覆有聚四氟乙烯涂层；所述反应腔的直径为2寸～12寸，且外壁标有刻度；所述反应装置的各组件的表面均涂覆有聚四氟乙烯涂层。
进一步说明，所述反应腔内部还设置有若干个表面涂覆有聚四氟乙烯涂层的磁石。
进一步说明，所述上盖还设置有双向排气装置，所述双向排气装置呈圆周分布于所述第一通孔的外侧。
进一步说明，所述操作台是由直流电源发生器、可视化的屏幕和PLC集成控制系统组成的可视化控制平台。
更优选的，所述导电棒和加热棒为铂或金耐氢氟酸导电材料；所述导电棒设有四件，且与所述直流电源发生器的正极电气连接；所述加热棒设有四件，且与所述操作台电气连接。
更优选的，所述工件的尺寸小于所述密封圈的尺寸，且所述工件的底部与所述直流电源发生器的负极电气连接；所述工件为碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)的第三代半导体材料中的任意一种；所述直流电源发生器的输出电压范围为0～60V。
本发明的有益效果：本发明实现有效对第三代半导体材料加工出所需的各种微纳结构，克服现有技术难以高效地在第三代半导体材料上加工出规则的纳米线、纳米孔和纳米槽等高、深、宽比微结构的问题，实现了第三代半导体材料各类微结构的高效可控加工，具有操控简便、加工效果一致稳定，结构稳定、简单，增强了对批量加工质量的可控性，适用于微流控芯片、生物芯片及微电子器件，用于大批量生产，推广空间大的特点。
附图说明
图1是本发明一个实施例的面向第三代半导体材料的加工装置的立体剖面图；
图2是本发明一个实施例的面向第三代半导体材料的加工装置的结构示意图；
图3是本发明一个实施例的上盖的结构示意图；
图4是本发明一个实施例的反应腔的结构示意图；
图5是本发明一个实施例的密封圈的结构示意图；
图6是本发明一个实施例的下盖的示意图；
图7是本发明一个实施例的下夹板的结构示意图；
图8～图13是本发明一个实施例的工件刻蚀过程的横截面示意图；
其中：反应装置1，反应腔10，刻蚀液注入口101，刻蚀液排出口102，搅拌励磁线圈103，导电棒104，加热棒105，密封圈106，工件107，上盖11，下盖12，检查调节装置13，离子浓度器131，恒温调节器132，液面高度检查器133，操作台2，支撑装置3，支撑架30，上夹板31，下夹板32，螺栓连接件33，第一通孔4，双向排气装置5，第二通孔6，光刻胶8，金属层9。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
一种面向第三代半导体材料的加工装置，包括反应装置1、操作台2和支撑装置3；所述反应装置1为圆柱形盒体，该圆柱形盒体内部为反应腔10，并且所述圆柱形盒体的上下两端盖有上盖11和下盖12；
所述反应腔10的侧壁设置有刻蚀液注入口101和刻蚀液排出口102，所述刻蚀液注入口101位于所述刻蚀液排出口102上方，所述刻蚀液排出口102孔口与所述反应腔10底部平面相切；
所述反应腔10的内部还设置有搅拌励磁线圈103、导电棒104、加热棒105、密封圈106和工件107；所述搅拌励磁线圈103安装于所述上盖11的正下方；所述导电棒104和所述加热棒105分别呈圆周对称紧贴安装于所述反应腔10的腔壁内，并且相互间隔分布；所述密封圈106设有两件，安装于所述反应腔10的底部，并且所述密封圈106通过所述下盖12内面对应开设的卡槽套接于所述下盖12内；所述工件107安装于两个所述密封圈106之间；
所述上盖11的中间开设有第一通孔4；所述反应腔10的底部、所述密封圈106和所述下盖12的中间均开设有同轴度的第二通孔6；所述反应装置1竖直安装于所述支撑装置3的中部，并且由其两端的第一通孔4、第二通孔6与所述操作台2电气连接。
本发明提出一种面向第三代半导体材料的加工装置，可以利用贵金属纳米粒子作为催化剂，在电场和刻蚀液的协同作用下，有效对第三代半导体材料加工出所需的各种微纳结构，从而克服了现有技术难以高效地在碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)等的第三代半导体材料上加工出规则的纳米线、纳米孔和纳米槽等高、深、宽比微结构的难题，实现了第三代半导体材料各类微结构的高效可控加工，具有加工成本低廉，适用于微流控芯片、生物芯片及微电子器件，可用于大批量生产，推广空间大的特点。相比现有的加工装置，本发明的加工装置主要包括以下特点：
1、通过设计特殊的加工装置结构，将导电棒104安装于反应腔10的腔壁上来施加电场，从而能够强制所施加直流电顺利通过第三代半导体材料并在第三代半导体材料上形成一定压降；并利用反应腔内的加热棒105，控制反应腔内的刻蚀液的温度恒定，同时还可在刻蚀液中加入氧化剂，使在氧化还原反应中释放的能量，使得总能量达到第三代半导体材料氧化反应所需的能量，从而使得贵金属纳米粒子催化剂更有效与工件接触的部分被刻蚀，从而有效加工出所需的各种微结构，操控简便；
2、在加工过程中利用上盖11下方的搅拌励磁线圈103做稳定地磁场搅拌，使得刻蚀液各部分浓度一直保持均匀的状态，从而使得整个工件上加工效果一致、稳定；
3、将密封圈106设置于反应腔10的底部，同时在密封圈106的底部套接所述下盖12，并且通过在下盖12内面对应开设的卡槽，从而确保在安装时所述反应腔10底部的通孔、所述密封圈106的通孔以及下盖12的通孔的同轴度，即有效获得第二通孔6，从而实现了工件107更加稳定精确的安装，以及通过所述第二通孔6实现有效的电气连接，结构稳定、简单。
4、通过刻蚀液注入口101和刻蚀液排出口102精确控制刻蚀液的体积，保证刻蚀效果的稳定性，同时避免了人工操作刻蚀液，更加安全可靠；
5、通过操作台2的程序控制，提高了刻蚀反应的可重复性，保证了每次反应参数的一致，增强了对批量加工质量的可控性。
进一步说明，所述反应装置1还设置有检查调节装置13，所述检查调节装置13包括离子浓度器131、恒温调节器132和液面高度检查器133，三者沿轴中心对称安装于所述反应腔10的内壁上，并且相互间隔分布。通过检测调节装置13能够有效地监控反应腔10内的刻蚀液的粒子浓度、温度以及液面的高度的情况，从而更精确稳定地控制工件加工，提高加工效果。
进一步说明，所述支撑装置3包括支撑架30、上夹板31、下夹板32和螺栓连接件33；所述上夹板31安装于所述支撑架30的顶部，且上夹板31的中部开设有安装通孔，所述反应装置1固定安装于所述安装通孔内；所述下夹板32通过所述螺栓连接件33安装于所述上夹板31的下方；所述下盖12连接于所述下夹板32的上表面。
利用所述上夹板31和下夹板32对所述反应装置1的进行安装固定，并通过螺栓连接件33连接，不仅有效提高反应装置1的稳定性，而且利用所述螺栓连接件33将所述下夹板32水平安装于所述上夹板31的下方，可以更灵活地对应调整反应装置1，以便于对工件107的精确安装。
进一步说明，任意一个所述密封圈106内嵌有八个压力传感器，所述压力传感器呈圆周对称分布，并通过电气连接于所述操作台2；所述密封圈106两端面的平整度＜0.01mm。通过在密封圈106内设置压力传感器，是为了便于在安装工件107时，能够精确地控制工件107所受的预紧力均匀且达到充分密封，通过监控压力传感器的数值相同，即可确保工件107的受力均匀。
更优选的，所述反应腔10为有机玻璃材料，且内壁涂覆有聚四氟乙烯涂层；所述反应腔10的直径为2寸～12寸，且外壁标有刻度；所述反应装置1的各组件的表面均涂覆有聚四氟乙烯涂层。通过采用聚四氟乙烯涂层的方式来防腐蚀，并且具有一定的耐高温性质。
进一步说明，所述反应腔10内部还设置有若干个表面涂覆有聚四氟乙烯涂层的磁石。通过将所述磁石浸泡在所述反应腔10内部的刻蚀液中，使在工作时，利用磁场搅拌所述搅拌励磁线圈103得电，从而有效控制磁石的运动，使刻蚀液各部分的浓度更加均匀。
进一步说明，所述上盖还设置有双向排气装置5，所述双向排气装置5呈圆周分布于所述第一通孔4的外侧。通过所述双向排气装置，以能够对反应过程中反应腔内所产生的挥发气体进行抽离。
进一步说明，所述操作台2是由直流电源发生器、可视化的屏幕和PLC集成控制系统组成的可视化控制平台。
更优选的，所述导电棒104和加热棒105为铂或金耐氢氟酸导电材料；所述导电棒104设有四件，且与所述直流电源发生器的正极电气连接；所述加热棒105设有四件，且与所述操作台2电气连接。
更优选的，所述工件107的尺寸小于所述密封圈106的尺寸，且所述工件107的底部与所述直流电源发生器的负极电气连接；所述工件107为碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)的第三代半导体材料中的任意一种；所述直流电源发生器的输出电压范围为0～60V。
将直流电源发生器的正极通过所述第一通孔4与反应腔内的导电棒104相连，再将直流电源发生器的负极通过所述第二通孔6与工件107下表面贴合，并控制直流电源发生器的输出电压范围，从而有效实现在第三代半导体材料上形成一定压降，使工件107进行有效的刻蚀加工。
具体的加工过程如下：
步骤1：刻蚀前处理。首先，将尺寸为10cm*10cm的碳化硅工件107置于浓硫酸(质量浓度为96％)和过氧化氢(质量浓度为30％)体积比为1:1的混合120℃热溶液浸泡10分钟，以充分去除工件107表面的氧化物；然后，将工件107从溶液中取出，用大量去离子水将其冲洗干净；再用氮气流中进行干燥，干燥后取出备用；如图8所示；
步骤2：将步骤1得到的工件107衬底上旋涂一层约为400nm厚的光刻胶8，如图9所示；烘干并放在光刻机中进行曝光，未经曝光的光刻胶经过显影去除，如图10所示；然后，通过等离子刻蚀(RIE)2-3分钟，将曝光的光刻胶厚度减少为200nm，以及去除残留的未曝光的光刻胶；接着，在工件107上表面依次蒸镀3nm Ti和30nmAu，蒸镀时间约为30分钟。由于曝光的光刻胶起到了掩模的作用，因此可在工件107上产生具有所需微结构形状的金属层9；如图11所示；
步骤3：结合使用上述的一种面向第三代半导体材料的加工装置进行加工。启动并初始化设备，调试反应装置1、操作台2和支撑装置3，使其处于初始化的准备状态；所述搅拌励磁线圈103、磁石、导电棒104、加热棒105、离子浓度器131、恒温调节器132和液面高度检查器133、压力传感器处于准备的状态；检查各个连接管道的气密性和通畅性；将步骤2中得到的工件107放置于所述密封圈106间，将直流电源负极与工件107下表面贴合，从操作台2观测压力传感器，拧紧若干螺栓连接件33使工件107所受预紧力均匀、充分密封，使压力传感器数值相同；
步骤4：配制刻蚀液。其中氢氟酸、氧化剂、水的配比为1:1:1，并从刻蚀液注入口101缓慢加入。将直流电源正极与刻蚀腔内导电棒104相连，盖上上盖11。同时，启动搅拌励磁线圈103控制磁石运动，边刻蚀边搅拌，使刻蚀液腔体内浓度均匀；
步骤5：根据所需成形的纳米孔形貌，通过设置操作台2参数调节直流电压大小10V，并利用腔内的加热棒105控制刻蚀液温度50℃恒定。根据所需成形的纳米孔深度，估算被腐蚀的速度为0.5-5μm/min，根据所需形成的纳孔深度除以材料被腐蚀速度获得腐蚀时间。腐蚀速度是由化学反应控制的，由此计算各道刻蚀工序的作用时间，如图12所示；
步骤6：系统按照设定的反应时间，当刻蚀反应时间到达时，系统即刻提示反应完成。启动所述双向排气装置5对反应过程中挥发的氢氟酸等气体进行抽离。通过刻蚀液排出口102排净刻蚀液，松开若干螺栓连接件33，将刻蚀完成后得到的工件107取出并用去离子水冲洗干净、用氮气吹干，即可在工件107上得到所需的纳米孔阵列，如图13所示；
步骤7：对所述微结构刻蚀的加工装置进行清洗，完成刻蚀加工；对系统的数据进行保存，以备该刻蚀加工流程的多次调用。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向第三代半导体材料的加工装置，其特征在于：包括反应装置、操作台和支撑装置；所述反应装置为圆柱形盒体，该圆柱形盒体内部为反应腔，并且所述圆柱形盒体的上下两端盖有上盖和下盖；
所述反应腔的侧壁设置有刻蚀液注入口和刻蚀液排出口，所述刻蚀液注入口位于所述刻蚀液排出口上方，所述刻蚀液排出口与所述反应腔底部平面相切；
所述反应腔的内部还设置有搅拌励磁线圈、导电棒、加热棒、密封圈和工件；所述搅拌励磁线圈安装于所述上盖的正下方；所述导电棒和所述加热棒分别呈圆周对称紧贴安装于所述反应腔的腔壁内，并且相互间隔分布；所述密封圈设有两件，安装于所述反应腔的底部，并且所述密封圈通过所述下盖内面对应开设的卡槽套接于所述下盖内；所述工件安装于两个所述密封圈之间；
所述上盖的中间开设有第一通孔；所述反应腔的底部、所述密封圈和所述下盖的中间均开设有同轴度的第二通孔；所述反应装置竖直安装于所述支撑装置的中部，并且由其两端的第一通孔、第二通孔与所述操作台电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种面向第三代半导体材料的加工装置，其特征在于：所述反应装置还设置有检查调节装置，所述检查调节装置包括离子浓度器、恒温调节器和液面高度检查器，三者沿轴中心对称安装于所述反应腔的内壁上，并且相互间隔分布。
3.根据权利要求1所述的一种面向第三代半导体材料的加工装置，其特征在于：所述支撑装置包括支撑架、上夹板、下夹板和螺栓连接件；所述上夹板安装于所述支撑架的顶部，且上夹板的中部开设有安装通孔，所述反应装置固定安装于所述安装通孔内；所述下夹板通过所述螺栓连接件安装于所述上夹板的下方；所述下盖连接于所述下夹板的上表面。
4.根据权利要求1所述的一种面向第三代半导体材料的加工装置，其特征在于：任意一个所述密封圈内嵌有八个压力传感器，所述压力传感器呈圆周对称分布，并通过电气连接于所述操作台；所述密封圈两端面的平整度＜0.01mm。
5.根据权利要求1所述的一种面向第三代半导体材料的加工装置，其特征在于：所述反应腔为有机玻璃材料，且内壁涂覆有聚四氟乙烯涂层；所述反应腔的直径为2寸～12寸，且外壁标有刻度；所述反应装置的各组件的表面均涂覆有聚四氟乙烯涂层。
6.根据权利要求1所述的一种面向第三代半导体材料的加工装置，其特征在于：所述反应腔内部还设置有若干个表面涂覆有聚四氟乙烯涂层的磁石。
7.根据权利要求1所述的一种面向第三代半导体材料的加工装置，其特征在于：所述上盖还设置有双向排气装置，所述双向排气装置呈圆周分布于所述第一通孔的外侧。
8.根据权利要求1所述的一种面向第三代半导体材料的加工装置，其特征在于：所述操作台是由直流电源发生器、可视化的屏幕和PLC集成控制系统组成的可视化控制平台。
9.根据权利要求8所述的一种面向第三代半导体材料的加工装置，其特征在于：所述导电棒和加热棒为铂或金耐氢氟酸导电材料；所述导电棒设有四件，且与所述直流电源发生器的正极电气连接；所述加热棒设有四件，且与所述操作台电气连接。
10.根据权利要求8所述的一种面向第三代半导体材料的加工装置，其特征在于：所述工件的尺寸小于所述密封圈的尺寸，且所述工件的底部与所述直流电源发生器的负极电气连接；所述工件为碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)的第三代半导体材料中的任意一种；所述直流电源发生器的输出电压范围为0～60V。
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