CN110155936A - 一种可视化半导体光电化学微加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种可视化半导体光电化学微加工装置及方法，所述装置包括：半导体样品、光源、电解池、恒电位仪、光学斩波器、图像采集模块和电脑处理终端；所述电解池内设有参比电极和对电极，参比电极、对电极和作为工作电极的半导体样品浸泡在电解液中，所述参比电极、对电极和半导体样品均与恒电位仪电性连接；所述光源位于所述半导体样品的上方，用于照射所述半导体样品，所述光学斩波器位于所述光源和半导体样品之间；所述图像采集模块和恒电位仪均与所述电脑处理终端电性连接。本发明结构紧凑，实现可视化观察刻蚀过程，可扩展性强，根据半导体的禁带宽度可选择不同波长的光源，可应用于大部分半导体材料的微加工。
Description
技术领域
本发明涉及光电化微加工技术领域，更具体地说涉及一种可视化半导体光电化学微加工装置及方法。
背景技术
随着微电子技术的高速发展，驱动了器件不断向小型化、微型化和集成化的方向发展。微细加工技术是微机电系统(MEMS)的基础，也是微机电系统的核心和研究热点。利用电化学方法进行三维微/纳米尺度的刻蚀加工是最有潜力的微细加工技术之一，具有成本低、工作条件温和、可控性高的优点。
半导体材料是微机电系统中最为重要的材料。以氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)等为代表的第三代半导体材料，具有更高的击穿场强、热传导率和抗辐射能力，同时具有很好的节能特性，在电力装备、航空航天、新能源等领域具有重大的应用前景。对半导体材料进行微纳加工制备半导体微纳器件是实现各种功能应用的重要技术。光电化学微加工是根据半导体的禁带宽度，利用合适的光照使半导体材料产生电子-空穴对，空穴参与半导体表面的氧化反应，电子参与电解质中的还原反应，从而进行刻蚀。建立可靠的半导体光电化学微加工技术是实现器件的微型化和低能耗的根本保证，是微机电系统领域的重要组成部分。
发明内容
本发明提供一种可视化半导体光电化学微加工装置及方法，能够可视化实时监测半导体材料的光电化学刻蚀过程，实现半导体材料的精确微加工。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种可视化半导体光电化学微加工方法，所述方法包括：
向电解池加入电解液，把参比电极、对电极和半导体样品浸泡在电解液中，所述半导体样品、参比电极和对电极分别与恒电位仪电性连接；
实时采集半导体样品表面的图像；
在半导体样品的上方设置用于照射半导体样品的光源；
光源周期性照射半导体样品，设定采样速度，通过线性扫描伏安法得到半导体样品在周期性光照下的电流随电压变化的变化曲线；
在刻蚀时间内，根据所述变化曲线选定刻蚀电压，对电极和半导体样品施加所述刻蚀电压，光源正常照射半导体样品，对半导体进行光电化学刻蚀。
作为上述技术方案的进一步改进，所述光源周期性照射半导体样品的过程包括：
在光源和半导体样品之间设有光学斩波器，通过光学斩波器周期性遮挡光源，实现光源周期性照射半导体样品。
作为上述技术方案的进一步改进，所述实时采集半导体样品表面的图像的过程包括：
通过图像采集模块采集半导体样品表面的图像，所述图像采集模块设于三维移动平台上，通过三维移动平台调节图像采集模块的位置来对焦半导体样品。
一种可视化半导体光电化学微加工装置，包括：半导体样品、光源、电解池、恒电位仪、光学斩波器、图像采集模块和电脑处理终端；
所述电解池内设有参比电极和对电极，参比电极、对电极和作为工作电极的半导体样品浸泡在电解液中，所述参比电极、对电极和半导体样品均与恒电位仪电性连接；
所述光源位于所述半导体样品的上方，用于照射所述半导体样品，所述光学斩波器位于所述光源和半导体样品之间，用于遮挡光源；所述图像采集模块用于采集半导体样品的图像；所述图像采集模块和恒电位仪均与所述电脑处理终端电性连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述半导体样品和图像采集模块之间还有光学显微镜。
作为上述技术方案的进一步改进，所述图像采集模块设置在半导体样品的下方，所述图像采集模块与三维移动平台固定连接，所述三维移动平台带动所述图像采集模块移动，对焦半导体样品的表面。
作为上述技术方案的进一步改进，所述图像采集模块为CCD相机。
本发明的有益效果是：本发明结构紧凑，实现可视化观察刻蚀过程，可扩展性强，可更换不同波长的光源，可应用于大部分半导体材料的微加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明微加工装置的结构示意图；
图2是本发明微加工装置中的电解池结构示意图；
图3是实施例中ZnO单晶在周期性光照下的电流随电压变化的变化曲线图；
图4是实施例中刻蚀后的ZnO半导体表面光学显微照片。
图5是实施例中GaN单晶在周期性光照下的电流随电压变化的变化曲线图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1，参照图1和图2，一种可视化半导体光电化学微加工方法，所述方法包括：
向电解池300加入电解液304，把参比电极302、对电极303和半导体样品301浸泡在电解液304中，所述半导体样品301、参比电极302和对电极303分别与恒电位仪400电连接；
实时采集半导体样品301表面的图像；
在半导体样品301的上方设置用于照射半导体样品301的光源100；
光源100周期性照射半导体样品301，设定采样速度，通过线性扫描伏安法得到半导体样品301在周期性光照下的电流随电压变化的变化曲线；
在刻蚀时间内，根据所述变化曲线选定刻蚀电压，对电极303和半导体样品301施加刻蚀电压，光源100正常照射半导体样品301，对半导体进行光电化学刻蚀。
作为优化，所述光源100周期性照射半导体样品301的过程包括：
在光源100和半导体样品301之间设有光学斩波器200，通过光学斩波器200周期性遮挡光源100，实现光源100周期性照射半导体样品301。
作为优化，所述实时采集半导体样品301表面的图像的过程包括：
通过图像采集模块采集半导体样品301表面的图像，所述图像采集模块设于三维移动平台700上，通过三维移动平台700调节图像采集模块的位置来对焦半导体样品301。
所述一种可视化半导体光电化学微加工方法可应用在一种可视化半导体光电化学微加工装置，所述一种可视化半导体光电化学微加工装置包括：半导体样品301、光源100、电解池300、恒电位仪400、光学斩波器200、图像采集模块和电脑处理终端800；
所述电解池300内设有参比电极302和对电极303，参比电极302、对电极303和作为工作电极的半导体样品301浸泡在电解液304中，所述参比电极302、对电极303和半导体样品301均与恒电位仪400电性连接；
所述光源100位于所述半导体样品301的上方，用于照射所述半导体样品301，所述光学斩波器200位于所述光源100和半导体样品301之间，用于遮挡光源100；所述图像采集模块用于采集半导体样品301的图像；所述图像采集模块和恒电位仪400均与所述电脑处理终端800电性连接。
所述恒电位仪400可为电解池300中的参比电极302、对电极303或半导体样品301提供电压，同时测量电解池300内电流的数值。
所述光源100根据半导体样品301的禁带宽度，选择合适波长的光源100，光照使半导体样品301产生电子-空穴对，提高刻蚀速率。
作为优化，所述半导体样品301和图像采集模块之间还有光学显微镜500。
作为优化，所述图像采集模块设置在半导体样品301的下方，所述图像采集模块与三维移动平台700固定连接，所述三维移动平台700带动所述图像采集模块移动，对焦半导体样品301的表面。
作为优化，所述图像采集模块为CCD相机600。
通过所述CCD相机600实时采集半导体样品301表面的图像，并将采集的图像发送到电脑处理终端800，通过电脑处理终端800可视化实时监测对半导体样品301的光电化学微加工过程的记录，有效实现半导体材料的精确微加工。
本发明微加工装置中还设有电源(附图中未示)，所述电源为微加工装置中的所有部件提供电能。所述光源100、光学斩波器200、恒电位仪400、CCD相机600、光学显微镜500、三维移动平台700和电脑处理终端800均与电源电性连接。
本发明的工作过程：
首先是组装装置的过程。将半导体样品301作为工作电极固定于电解池300底部，向电解池300加入电解液304，把参比电极302和对电极303置于电解池300中，参比电极302和对电极303分别与恒电位仪400电连接，所述半导体样品301通过银浆与导电底板305固定连接，所述半导体样品301通过导电底板305与恒电位仪400电连接。所述CCD相机600位于所述半导体样品301的下方，所述导电底板305中部设有通孔，所述CCD相机600通过通孔采集半导体样品301表面的图像。
所述CCD相机600设置在三维移动平台700上，通过三维移动平台700驱动CCD相机600运动，使CCD相机600对焦半导体样品301的表面。所述三维移动平台700的作用是可以进行三维移动。
所述CCD相机600与半导体样品301之间还设有光学显微镜500。所述CCD相机600将采集得到的图像通过数据线发送到电脑处理终端800。
在半导体样品301的上方设置用于照射半导体样品301的光源100，所述光学斩波器200用于遮挡照射半导体样品301的光源100，通过光学斩波器200周期性的遮挡照射半导体样品301的光源100，使照射半导体样品301的光信号变成不连续的光信号。
接下来是测量和刻蚀的过程。在测量和刻蚀的过程中，通过CCD相机600实时采集半导体样品301表面的图像。
测量过程：打开光源100，通过光学斩波器200周期性遮挡光源100，使光源100周期性照射半导体样品301，打开恒电位仪400，通过电脑处理终端800的软件chi660b控制恒电位仪400向半导体样品301和对电极303施加电压，在测量的过程中电压从0V逐渐升高到2V，通过线性扫描伏安法LSV(Linear Sweep Voltammetry)得到半导体样品301在周期性光照下的电流随电压变化的变化曲线。所述电流变化情况是通过恒电位仪400检测，恒电位仪400将检测到的电流变化情况通过数据线发送到电脑处理终端800。
刻蚀过程：设定刻蚀时间，根据所述电流随电压变化的变化曲线选定刻蚀电压，对电极303和半导体样品301施加刻蚀电压，光源100正常照射半导体样品301，对半导体样品301进行光电化学刻蚀。
本实施例以ZnO单晶作为半导体样品301，对ZnO单晶进行光电化学微加工。ZnO的禁带宽度3.37eV，光源100的波长为380nm。
把1×1cm2的ZnO单晶固定于电解池300底部。把0.1mol/L的Na2SO4溶液倒入电解池300作为电解质。把Ag/AgCl参比电极302，铂丝对电极303置于电解液304中。将参比电极302、对电极303和半导体样品301分别与恒电位仪400连接。以紫外LED灯作为光源100，调节光学斩波器200周期性遮挡光源100，使ZnO单晶周期性处于暗状态。打开恒电位仪400，通过电脑处理终端800的软件chi660b控制恒电位仪400向半导体样品301和对电极303施加电压，电压从0V逐渐升高到2V，设定恒电位仪400的采样速率为0.2s/样点，即采集一个数据用时0.2s，每隔0.05V采样一次，所述恒电位仪400将采样得到的数据发送到电脑处理终端800，运行线性扫描伏安法LSV(Linear Sweep Voltammetry)，测量在光源100周期性照射的条件下半导体样品301的光电流随电压从0V升到2V的变化曲线，如图3所示。
随后根据所述电流随电压变化的变化曲线选定刻蚀电压，向半导体样品301和对电极303施加刻蚀电压值1.5V，关闭光学斩波器200，使光源100直接照射ZnO单晶，设定刻蚀时间为8h，进行光电化学刻蚀，图4为通过CCD相机600采集的刻蚀后的ZnO单晶表面的图像，从图中可以看出ZnO单晶的加工尺寸达到100μm，精确度高。
实施例2，本实施例与实施例1的区别在于采用GaN单晶作为半导体样品301，对GaN单晶进行光电化学微加工。GaN的禁带宽度3.4eV，光源100的波长为380nm。
把1×1cm2的GaN单晶固定于电解池300底部。把0.5mol/L的H2SO4溶液倒入电解池300作为电解质。把Ag/AgCl参比电极302，铂丝对电极303置于电解液304中。将参比电极302、对电极303和半导体样品301分别与恒电位仪400连接。以紫外LED灯作为光源100，调节光学斩波器200周期性遮挡光源100，使GaN单晶周期性处于暗状态。打开恒电位仪400，通过电脑处理终端800的软件chi660b控制恒电位仪400向半导体样品301和对电极303施加电压，电压从0V逐渐升高到2V，设定恒电位仪400的采样速率为0.2s/样点，即采集一个数据用时0.2s，每隔0.05V采样一次，所述恒电位仪400将采样得到的数据发送到电脑处理终端800，运行线性扫描伏安法LSV(Linear Sweep Voltammetry)，测量在光源100周期性照射的条件下半导体样品301的光电流随电压从0V升到2V的变化曲线，参考图5。
随后根据所述电流随电压变化的变化曲线选定刻蚀电压，向半导体样品301和对电极303施加刻蚀电压值0.5V，关闭光学斩波器200，使光源100直接照射GaN单晶，设定刻蚀时间为8h，进行光电化学刻蚀。
参考图3和图5，可以确定某个电压值对应的光电流值，要根据所述电流随电压变化的变化曲线选定向半导体样品301和对电极303施加的刻蚀电压值，控制刻蚀速率。从刻蚀速率考虑，如果刻蚀电压值下的光电流值过大，会使刻蚀过快。
本发明结构紧凑，实现可视化观察刻蚀过程，可扩展性强，可更换不同波长的光源100，可应用于大部分半导体材料的微加工。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (7)
1.一种可视化半导体光电化学微加工方法，其特征在于，所述方法包括：
向电解池加入电解液，把参比电极、对电极和半导体样品浸泡在电解液中，所述半导体样品、参比电极和对电极分别与恒电位仪电性连接；
实时采集半导体样品表面的图像；
在半导体样品的上方设置用于照射半导体样品的光源；
光源周期性照射半导体样品，设定采样速度，通过线性扫描伏安法得到半导体样品在周期性光照下的电流随电压变化的变化曲线；
在刻蚀时间内，根据所述变化曲线选定刻蚀电压，对电极和半导体样品施加所述刻蚀电压，光源正常照射半导体样品，对半导体进行光电化学刻蚀。
2.根据权利要求1所述的一种可视化半导体光电化学微加工方法，其特征在于，所述光源周期性照射半导体样品的过程包括：
在光源和半导体样品之间设有光学斩波器，通过光学斩波器周期性遮挡光源，实现光源周期性照射半导体样品。
3.根据权利要求1所述的一种可视化半导体光电化学微加工方法，其特征在于，所述实时采集半导体样品表面的图像的过程包括：
通过图像采集模块采集半导体样品表面的图像，所述图像采集模块设于三维移动平台上，通过三维移动平台调节图像采集模块的位置来对焦半导体样品。
4.一种可视化半导体光电化学微加工装置，其特征在于，包括：半导体样品、光源、电解池、恒电位仪、光学斩波器、图像采集模块和电脑处理终端；
所述电解池内设有参比电极和对电极，参比电极、对电极和作为工作电极的半导体样品浸泡在电解液中，所述参比电极、对电极和半导体样品均与恒电位仪电性连接；
所述光源位于所述半导体样品的上方，用于照射所述半导体样品，所述光学斩波器位于所述光源和半导体样品之间，用于遮挡光源；所述图像采集模块用于采集半导体样品的图像；所述图像采集模块和恒电位仪均与所述电脑处理终端电性连接。
5.根据权利要求4所述的一种可视化半导体光电化学微加工装置，其特征在于：所述半导体样品和图像采集模块之间还有光学显微镜。
6.根据权利要求4所述的一种可视化半导体光电化学微加工装置，其特征在于：所述图像采集模块设置在半导体样品的下方，所述图像采集模块与三维移动平台固定连接，所述三维移动平台带动所述图像采集模块移动，对焦半导体样品的表面。
7.根据权利要求4所述的一种可视化半导体光电化学微加工装置，其特征在于：所述图像采集模块为CCD相机。
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