CN108365028A - 一种碳化硅器件表面制绒方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅器件表面制绒方法，该方法为：在需要制绒的器件表面涂布一层光刻胶，但不做任何光刻，直接进入烘箱烘烤；烘烤完成后，将带有光刻胶的SiC器件表面通过进行干法离子刻蚀；离子刻蚀完成后，将SiC表面的残余光刻胶及其他中间反应物沾污通过氧等离子体处理和RCA湿法清洗等手段去除，就能得到有效的表面亚微米结构，实现表面制绒和减反射。本申请用于SiC材料的探测器表面制绒时，可以有效的在光接收窗口表面制作出不定形的亚微米阵列结构，降低表面反射率，提高光子或射线的外量子效率，从而提高探测器的响应度和探测效率。
Description
技术领域
本发明属于H01L 27/00类半导体器件领域，具体涉及一种碳化硅器件表面制绒方法。
背景技术
SiC作为近十几年来迅速发展的宽禁带半导体材料，与其它半导体材料，比如Si，GaN及GaAs相比，SiC材料具有宽禁带(约3.2eV)、高热导率、高载流子饱和迁移率、高击穿场强等优点。SiC器件高抗辐射能力和可靠的高温工作寿命等优越性能，使得SiC材料制作的新一代中间带太阳能电池(intermediate-band solar cell)成为航空探测、空间站、宇宙卫星和高温等恶劣条件下应用研究的热点。而SiC的低反向漏电流和“日盲”特性，使得SiC材料制作的紫外探测器只对波长400nm以下的辐射选择性接收，其紫外辐射的接收与硅探测器相比，要大两个数量级，并且不需要表面加工处理，可保持长期的稳定性。另外，灵敏度和暗电流在使用温度条件下几乎不受温度变化的影响，可在700K的高温下使用。
和硅材料制作的太阳能电池及探测器类似，SiC材料制作的探测器及中间带太阳能电池，表面反射率的降低有助于其光电效率的提升。降低表面反射率是提高探测器探测效率及太阳能电池效率的关键。通过表面制绒技术降低表面反射率在硅器件中已经应用的非常成熟，可使得器件表面反射率提高5％以上。在硅材料中，常规多晶硅主要采用酸制绒，形成蠕虫状的坑洞；而单晶采用碱制绒，形成金字塔结构的绒面。然而，对于SiC材料，由于其高莫氏硬度和高化学稳定性，表面制绒很难，原来应用于硅材料的传统湿法制绒方法都不适用。对于表面干法离子刻蚀，由于现有的四六寸SiC单晶片受制于四六寸光刻机台及光刻胶分辨率的限制，很难实现亚微米以下的高密度阵列图形。特别是如果需要离子刻蚀出图形需要能抗离子轰击的厚膜掩蔽，使得光刻图形的分辨率受到更多限制。国际上还没有见到对于SiC材料表面亚微米结构有效制绒技术的报道。
针对上述问题，本发明的目的是提出一种有效可行的SiC材料器件表面制绒的方法，并通过了实验验证，摸索出一套切实可行的工艺，能方便经济的实现SiC材料表面亚微米结构构造，降低表面反射率。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种碳化硅器件表面制绒方法，其有效解决了现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种碳化硅器件表面制绒方法，所述方法包括如下步骤：
1)在需要制绒的碳化硅器件表面涂布一层光刻胶，但不做任何光刻，直接进入烘箱烘烤；烘烤温度和时间控制低于在使用所选光刻胶进行常规干法刻蚀掩膜工艺时的温度与时间，即光刻胶在烘烤时要不完全烘烤固化；
2)烘烤完成后，将带有光刻胶的碳化硅器件表面进行干法离子刻蚀，在碳化硅器件表面形成不规则的亚微米结构；
3)离子刻蚀完成后，将碳化硅表面的残余光刻胶及其他中间反应物去除。
进一步，步骤1)中所述光刻胶的涂布厚度通过实际离子刻蚀工艺的选择比参数S和需要刻蚀的亚微米结构凹槽的最大深度D确定，光刻胶的涂布厚度应大于S*D，以保证凹槽的侧壁的完好。
进一步，所述亚微米结构凹槽的深度范围为10-2000nm；所述光刻胶厚度为10-8000nm。
进一步，步骤2)中所述干法离子刻蚀可以由RIE、ICP或ECR设备完成。
进一步，步骤2)中所述干法离子刻蚀的刻蚀气体包括F基或Cl基气体及其与氧气和氩气的混合气体。
进一步，步骤2)中所述干法离子刻蚀的刻蚀气体为SF6、CF4、NF3、CL2的任一种。
进一步，步骤2)中所述干法离子刻蚀的离子功率和刻蚀时间控制在所选用的光刻胶所涂布的厚度在常规干法刻蚀掩膜充分烘烤时能掩蔽住光刻胶底下的碳化硅表面的参数为基准。
进一步，所述碳化硅器件包括但不限于由SiC材料制作的各种固体探测器及中间带太阳能电池。
进一步，步骤3)中碳化硅表面的残余光刻胶及其他中间反应物通过氧等离子体处理或RCA湿法清洗的手段去除。
进一步，步骤1)中所述烘烤温度低于180℃，烘烤时间低于30mins。
本发明具有以下有益技术效果：
本申请用于SiC材料的探测器表面制绒时，可以有效的在光接收窗口表面制作出不定形的亚微米阵列结构，降低表面反射率，提高光子或射线的外量子效率，从而提高探测器的响应度和探测效率。本申请用于制作中间带太阳能电池(intermediate-band solarcell)表面减反射结构时，能经济有效的在太阳能电池表面制作出稳定可靠的不定形的亚微米阵列结构，降低表面反射率，增强太阳能电池的效率。
本申请所述的表面亚微米结构干法刻蚀的制作方法可以不仅仅限于SiC材料，同样适用于其他无法用常规湿法工艺制绒的高硬度半导体材料，包括GaN，AlGaN，Ga2O3等。
附图说明
图1为采用本发明的方法对4H-SiC表面进行干法刻蚀制绒后的表面微图形结构，其选用AZ5214E光刻胶和牛津ICP PlasmaPro 100离子刻蚀设备，烘箱烘烤温度低于120度，时间低于30分钟；
图2为采用本发明的方法对4H-SiC表面进行干法刻蚀制绒后的表面微图形结构，其选用AZ5214E光刻胶和牛津ICP PlasmaPro 100离子刻蚀设备，烘箱烘烤温度低于120度，时间低于5分钟。
具体实施方式
下面，参考实施例，对本发明进行更全面的说明，实施例中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
本发明提供了一种SiC器件表面制绒的方法，所述SiC器件包括但不限于由SiC材料制作的各种固体探测器及中间带太阳能电池(intermediate-bandsolar cell)。为了降低表面反射率或其他特殊用途，对器件表面进行干法刻蚀以得到的亚微米表面结构。具体方法包括以下步骤：在需要制绒的器件表面涂布一层光刻胶，但不做任何光刻，直接进入烘箱烘烤；烘烤完成后，将带有光刻胶的SiC器件表面通过进行干法离子刻蚀；离子刻蚀完成后，将SiC表面的残余光刻胶及其他中间反应物沾污通过氧等离子体处理或RCA湿法清洗等手段去除，就能得到有效的表面亚微米结构，实现表面制绒和减反射。
本申请中所使用的光刻胶可以是任何具有抗刻蚀能力和抗离子轰击能力用途的光刻胶。光刻胶厂商品牌包括但不限于AZ Electronic Materials,DowDuPont,ElectraPolymers Ltd,Fujifilm Electronic Materials,JSR Micro,Kolon Industries。包括美国安智公司生产的AZ1500系列，AZ6100系列，AZ3100系列，AZ5200系列光刻胶。光刻胶的涂布厚度通过实际离子刻蚀工艺的选择比S参数(即刻蚀选择比PR：SiC＝S)和需要刻蚀的亚微米结构凹槽TRENCH的最大深度D确定，光刻胶的涂布厚度应大于S*D，以保证TRENCH侧壁的完好。优选的，亚微米结构的凹槽TRENCH深度D范围为10-2000nm，光刻胶厚度一般为10-8000nm。
光刻胶的烘烤工艺可以采用热板或各种烘箱完成，烘烤温度和时间控制低于在使用所选光刻胶进行常规干法刻蚀掩膜工艺时的温度与时间，即光刻胶在烘烤时要不完全烘烤固化，以便于在后续离子刻蚀工艺过程中，光刻胶会由于溶剂的不完全挥发下，对反应离子及温度的抗性降低而自然收缩聚合，使得收缩区域的光刻胶变薄而对离子的掩蔽降低，使得反应离子能刻蚀到光刻胶底下的SiC器件表面，以最终形成不规则的亚微米结构。光刻胶的后烘温度低于180℃，后烘时间低于30mins。
干法离子刻蚀工艺可以由RIE、ICP或ECR设备完成，干法离子刻蚀的刻蚀气体包括F基或Cl基气体及其与氧气(O2)和氩气(Ar)的混合气体，如SF6、CF4、NF3、CL2等；离子功率和刻蚀时间控制在所选用光刻胶所涂布的厚度在常规干法刻蚀掩膜充分烘烤时能掩蔽住底下的SiC表面的参数为基准。
本申请中的离子功率和刻蚀时间由所选用光阻和SiC的选择比以及需要刻蚀凹槽深度来设计，通过具体陪片实验调整。在实验时调整ICP的功率在1000-1500W直接变化，根据刻蚀选择比(选择比PR：SiC约为2到3)适当调整刻蚀时间，仍然可以得到类似的表面结构；RF功率50W-150W之间变化时，适当调整刻蚀时间，仍然可以得到类似的表面结构；对于刻蚀时间的控制，可以通过采用陪片具体实验来调节，在刻蚀一段时间后取出来在显微镜或SEM下观察，如果没有达到理想的刻蚀深度再逐渐调整离子刻蚀的功率与时间。
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1
对4H-SiC表面进行干法刻蚀制绒时，选用AZ5214E光刻胶和牛津ICPPlasmaPro100离子刻蚀设备。首先，在4英寸SiC单晶片表面涂布AZ5214E光刻胶，胶厚为2.5um，然后用烘箱烘烤，烘烤温度低于120度，时间低于30分钟；然后使用牛津ICP PlasmaPro 100离子刻蚀设备进行干法刻蚀，选用刻蚀气体为SF6和O2，SF6流量为20sccm,O2流量5sccm，ICP功率1400W，RF功率80W，刻蚀时间80s；刻蚀完成后，采用Caro’s acid浸泡去胶，浓硫酸H2SO4：H2O2＝5:1，140℃，30mins，然后用去离子水充分清洗后甩干；如图1所示，得到的干法刻蚀制绒后的表面微图形结构。
实施例2
该实施例与实施例1采用同样的工艺流程，但改变烘箱烘烤的温度及时间，烘烤温度低于120度，时间低于5分钟，得到的干法刻蚀制绒后的表面微图形结构如图2所示。
上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳化硅器件表面制绒方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)在需要制绒的碳化硅器件表面涂布一层光刻胶，但不做任何光刻，直接进入烘箱烘烤；烘烤温度和时间控制低于在使用所选光刻胶进行常规干法刻蚀掩膜工艺时的温度与时间，即光刻胶在烘烤时要不完全烘烤固化；
2)烘烤完成后，将带有光刻胶的碳化硅器件表面进行干法离子刻蚀，在碳化硅器件表面形成不规则的亚微米结构；
3)离子刻蚀完成后，将碳化硅表面的残余光刻胶及其他中间反应物去除。
2.根据权利要求1所述的碳化硅器件表面制绒方法，其特征在于，步骤1)中所述光刻胶的涂布厚度通过实际离子刻蚀工艺的选择比参数S和需要刻蚀的亚微米结构凹槽的最大深度D确定，光刻胶的涂布厚度应大于S*D，以保证凹槽的侧壁的完好。
3.根据权利要求2所述的碳化硅器件表面制绒方法，其特征在于，所述亚微米结构凹槽的深度范围为10-2000nm；所述光刻胶厚度为10-8000nm。
4.根据权利要求1所述的碳化硅器件表面制绒方法，其特征在于，步骤2)中所述干法离子刻蚀可以由RIE、ICP或ECR设备完成。
5.根据权利要求1所述的碳化硅器件表面制绒方法，其特征在于，步骤2)中所述干法离子刻蚀的刻蚀气体包括F基或Cl基气体及其与氧气和氩气的混合气体。
6.根据权利要求5所述的碳化硅器件表面制绒方法，其特征在于，步骤2)中所述干法离子刻蚀的刻蚀气体为SF6、CF4、NF3、CL2的任一种。
7.根据权利要求1所述的碳化硅器件表面制绒方法，其特征在于，步骤2)中所述干法离子刻蚀的离子功率和刻蚀时间控制在所选用的光刻胶所涂布的厚度在常规干法刻蚀掩膜充分烘烤时能掩蔽住光刻胶底下的碳化硅表面的参数为基准。
8.根据权利要求1所述的碳化硅器件表面制绒方法，其特征在于，所述碳化硅器件包括但不限于由SiC材料制作的各种固体探测器及中间带太阳能电池。
9.根据权利要求1所述的碳化硅器件表面制绒方法，其特征在于，步骤3)中碳化硅表面的残余光刻胶及其他中间反应物通过氧等离子体处理或RCA湿法清洗的手段去除。
10.根据权利要求1所述的碳化硅器件表面制绒方法，其特征在于，步骤1)中所述烘烤温度低于180℃，烘烤时间低于30mins。
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2018
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