CN111106004A - 一种砷化镓刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种砷化镓刻蚀方法，包括将砷化镓置于电化学反应池的电解液中，电解液包括非氧化性酸、金属溴化物和水；给电化学反应池中的电极通入预定电压，预定电压为电解液的pH值和金属溴化物的浓度在预定范围时保持预定刻蚀速率的电压。本申请中来自金属溴化物的溴离子可通过电化学反应生成溴气，溴气与水反应生成次溴酸。砷化镓可在被次溴酸氧化后与电解液中的氢离子发生反应，达到通过电化学反应的方式刻蚀砷化镓的目的。本申请的砷化镓刻蚀方法可通过控制电压来控制砷化镓的刻蚀速率，刻蚀速率易控，且控制的精度高。

Description

一种砷化镓刻蚀方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，更具体地，涉及一种砷化镓刻蚀方法。
背景技术
砷化镓(GaAs)是一种重要的半导体材料，其属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。砷化镓具有闪锌矿型晶格结构，晶格常数为
Figure BDA0001845546340000011
熔点为1237℃，禁带宽度为1.4电子伏。砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料，因此在太阳能电池、集成电路衬底、红外探测器、γ光子探测器等领域得到了广泛的应用。
砷化镓应用在太阳能电池领域时，需要对其进行刻蚀处理。刻蚀是指在太阳能电池制件工艺中，按照掩模图形或设计要求对衬底表面或表面覆盖薄膜进行选择性腐蚀或剥离的技术。
现有的砷化镓刻蚀工艺通常是先将砷化镓氧化成镓的氧化物，再利用强酸将镓的氧化物进行分解。具体的，采用碘酸和双氧水的溶液对镓的氧化物进行刻蚀处理。但是这种砷化镓刻蚀方法的刻蚀速率难以控制，容易产生刻蚀不完全或原材料浪费的问题。
因此，如何提供一种刻蚀速率易控的砷化镓刻蚀方法成为本领域亟需解决的技术难题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种刻蚀速率易控的砷化镓刻蚀方法的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种砷化镓刻蚀方法。
该砷化镓刻蚀方法包括如下步骤：
将砷化镓置于电化学反应池的电解液中，其中，所述电解液包括非氧化性酸、金属溴化物和水；
给电化学反应池中的电极通入预定电压，所述预定电压为电解液的pH值和金属溴化物的浓度在预定范围时保持预定刻蚀速率的电压。
可选的，所述方法还包括监测电解液的pH值和电解液中金属溴化物的浓度，以根据检测结果向电解液中加入非氧化性酸和金属溴化物，使得电解液的pH值和电解液中金属溴化物的浓度保持在预定范围。
可选的，所述方法还包括获取电解液的pH值和电解液中金属溴化物的浓度；
根据电解液的pH值和电解液中金属溴化物的浓度确定刻蚀电压。
可选的，所述预定电压为36V-72V。
可选的，所述非氧化性酸为盐酸，所述金属溴化物为溴化铜。
可选的，所述电解液的pH值为0.7-1。
可选的，所述电解液中金属溴化物的浓度大于或等于130g/L。
可选的，所述电解液中金属溴化物的浓度为140g/L-160g/L。
可选的，所述电化学反应池中的阳极为铂电极，所述电化学反应池中的阴极为石墨电极。
本申请中来自金属溴化物的溴离子可通过电化学反应生成溴气，溴气与水反应生成次溴酸。砷化镓可在被次溴酸氧化后与电解液中的氢离子发生反应，达到通过电化学反应的方式刻蚀砷化镓的目的。本申请的砷化镓刻蚀方法可通过控制电压来控制砷化镓的刻蚀速率，刻蚀速率易控，且控制的精度高。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1为本申请的砷化镓刻蚀方法实施例的流程图。
具体实施方式
现在将详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
为了解决现有的砷化镓的刻蚀速率难以控制的问题，本申请提供了一种砷化镓刻蚀方法。
如图1所示，本申请的砷化镓刻蚀方法包括如下步骤：
步骤S101、将砷化镓置于电化学反应池的电解液中。电解液包括非氧化性酸、金属溴化物和水。电解液中的非氧化性酸是指在反应中只能表现出氢离子的弱氧化性的酸，例如盐酸、氢氟酸、磷酸等。电解液中的金属溴化物可例如为溴化铜或溴化银等。具体实施时，可将砷化镓的刻蚀区域浸没在电解液中或将整个砷化镓浸没在电解液中。
步骤S102、给电化学反应池中的电极通入预定电压。预定电压为电解液的pH值和金属溴化物的浓度在预定范围时保持预定刻蚀速率的电压。
在电化学反应池中，电解液中的金属离子在阴极上发生还原反应生成了金属，电解液中的溴离子在阳极上发生氧化反应生成了溴气。阴极生成的溴气与水反应可得到次溴酸(HBrO)和溴化氢(HBr)。砷化镓可被次溴酸氧化，生成镓的氧化物。镓的氧化物进而可与电解液中的氢离子反应，实现刻蚀砷化镓的目的。
通常，可通过控制刻蚀电压，控制电化学反应的速率，从而实现控制砷化镓的刻蚀速率。具体地，当刻蚀电压发生变化时，阳极上溴气的生成速率改变，使得生成次溴酸的速率发生了变化，从而改变了砷化镓的刻蚀速率。当电解液中的金属溴化物的浓度达到某一临界值时，电压与电化学反应的速率呈现线性关系，从而有利于更方便精准地控制砷化镓的刻蚀速率。给电化学反应池中的电极通入可使得电解液的pH值和金属溴化物的浓度在预定范围时保持预定刻蚀速率的预定电压可精准地控制砷化镓的刻蚀速率。
本申请中来自金属溴化物的溴离子可通过电化学反应生成溴气，溴气与水反应生成次溴酸。砷化镓被次溴酸氧化后可与电解液中的氢离子发生反应，达到通过电化学反应的方式刻蚀砷化镓的目的。本申请的砷化镓刻蚀方法可通过控制电压来控制砷化镓的刻蚀速率，刻蚀速率易控，且控制的精度高。
在本申请的砷化镓刻蚀方法的一个实施例中，砷化镓刻蚀方法还包括收集电化学反应池中逸出的溴气的步骤，以避免溴气外泄。
在本申请的砷化镓刻蚀方法的一个实施例中，砷化镓刻蚀方法还包括刻蚀结束后取出砷化镓冲洗干净的步骤，以获得清洁的砷化镓刻蚀产物。
在本申请的砷化镓刻蚀方法的一个实施例中，砷化镓刻蚀方法还包括监测电解液的pH值和电解液中金属溴化物的浓度，以根据检测结果向电解液中加入酸和金属溴化物的步骤。这样，电解液的pH值和电解液中金属溴化物的浓度可保持在预定范围，从而使得将刻蚀电压维持在预定电压，即可保持砷化镓的刻蚀速率的稳定。
进一步的，电解液的pH值可控制为0.7-1，电解液中金属溴化物的浓度可控制为140g/L-160g/L。
在本申请的砷化镓刻蚀方法的一个实施例中，本申请的砷化镓刻蚀方法还包括获取电解液的pH值和电解液中金属溴化物的浓度，根据电解液的pH值和电解液中金属溴化物的浓度确定刻蚀电压的步骤。例如，当电解液的pH值和/或电解液中金属溴化物的浓度大于第一阈值时，增大刻蚀电压；当电解液的pH值和/或电解液中金属溴化物的浓度小于第二阈值时，减小刻蚀电压。本申请可根据电解液的pH值和电解液中金属溴化物的浓度确定刻蚀电压，以保持砷化镓刻蚀速率的稳定。
当然，本申请的实施例中还可以包括获取电解液的pH值、电解液中金属溴化物的浓度和刻蚀电压的对应关系的步骤。具体实施时，可采集某一电解液的pH值条件下，不同刻蚀电压时电解液中金属溴化物的浓度，得到电解液的pH值、电解液中金属溴化物的浓度和刻蚀电压的关系表。或者，可采集某一电解液的pH值条件下，不同刻蚀电压时电解液中金属溴化物的浓度，采用插值法得出刻蚀电压与电解液的pH值和电解液中金属溴化物的浓度的函数。在砷化镓刻蚀工艺中，通过查表的方式或函数计算的方式即可得到在一定的电解液的pH值和电解液中金属溴化物的浓度条件下，刻蚀电压的数值，从而精确地控制砷化镓的刻蚀速率。
通过获取电解液的pH值、电解液中金属溴化物的浓度和刻蚀电压的对应关系，本申请的砷化镓刻蚀方法可以根据电解液的实际pH值和电解液中金属溴化物的实际浓度得到可保持砷化镓刻蚀速率稳定的刻蚀电压。
在本申请的砷化镓刻蚀方法的一个实施例中，电压为36V-72V。在上述电压区间内，砷化镓的刻蚀速率变化幅度小，有利于更方便的控制砷化镓的刻蚀速率。
在本申请的砷化镓刻蚀方法的一个实施例中，非氧化性酸为盐酸。具体实施时，可采用质量分数为33-35％的盐酸。金属溴化物为溴化铜。盐酸和溴化铜成本较低，可更有效地控制砷化镓刻蚀的成本。
在本申请的砷化镓刻蚀方法的一个实施例中，电解液的pH值为0.7-1。当电解液的pH值为上述值时，电压与电化学反应的速率趋向线性关系，从而能够更精准地控制砷化镓的刻蚀速率。
在本申请的砷化镓刻蚀方法的一个实施例中，电解液中金属溴化物的浓度大于或等于130g/L。当电解液中的金属溴化物的浓度大于或等于130g/L时，电压与电化学反应的速率趋向线性关系，从而精准地控制砷化镓的刻蚀速率。
进一步的，电解液中金属溴化物的浓度为140g/L-160g/L。当电解液中的金属溴化物的浓度为140g/L-160g/L时，电压与电化学反应的速率呈现线性关系，从而有利于更方便精准地控制砷化镓的刻蚀速率。更进一步的，电解液中金属溴化物的浓度为150g/L。
在本申请的砷化镓刻蚀方法的一个实施例中，电化学反应池中的阳极为铂电极，电化学反应池中的阴极为石墨电极。这两种电极的电解效果较好，使用寿命较长。
下述实验例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所使用的材料和试剂，如无特殊说明，均可从商业途径得到，实验中使用的设备如无特殊说明，均为本领域技术人员熟知的设备。
实验例1
步骤1：将砷化镓投入电化学反应池的电解液中，电解液包括盐酸、溴化铜和水。其中，电解液的pH值为0.7-1，溴化铜的浓度为140g/L。
步骤2：根据砷化镓的目标刻蚀量计算出刻蚀时间，并根据刻蚀时间计算得到刻蚀速率，获取刻蚀电压值。
电极通电，控制电压为上述刻蚀电压值，收集电化学反应池中逸出的溴气。通过电化学反应刻蚀砷化镓。
电化学反应过程中检测电解液的pH值和溴化铜的浓度。根据检测结果，确定是否向电化学反应池补充酸、金属溴化物和水，以维持电解液的pH值为0.7-1，以及溴化铜的浓度为140g/L。
步骤3：刻蚀结束后取出砷化镓冲洗干净。
经过检测后可得出，砷化镓的目标刻蚀量和实际刻蚀量的差值百分比小于0.004％。
实验例2
步骤1：将砷化镓投入电化学反应池的电解液中，电解液由盐酸、溴化铜和水组成，且电解液的pH值为0.7-1，溴化铜的浓度为150g/L。
步骤2：根据砷化镓的目标刻蚀量计算出刻蚀时间，并根据刻蚀时间计算得到刻蚀速率，获取刻蚀电压值。
电极通电，控制电压为上述刻蚀电压值，收集电化学反应池中逸出的溴气。通过电化学反应刻蚀砷化镓。
电化学反应过程中检测电解液的pH值和溴化铜的浓度。根据检测结果，确定是否向电化学反应池补充酸、金属溴化物和水，以维持电解液的pH值为0.7-1，以及溴化铜的浓度为150g/L。
步骤3：刻蚀结束后取出砷化镓冲洗干净。
经过检测后可得出，砷化镓的目标刻蚀量和实际刻蚀量的差值百分比小于0.0008％。
实验例3
步骤1：将砷化镓投入电化学反应池的电解液中，电解液由盐酸、溴化铜和水组成，且电解液的pH值为0.7-1，溴化铜的浓度为160g/L。
步骤2：根据砷化镓的目标刻蚀量计算出刻蚀时间，并根据刻蚀时间计算得到刻蚀速率，获取刻蚀电压值。
电极通电，控制电压为上述刻蚀电压值，收集电化学反应池中逸出的溴气。通过电化学反应刻蚀砷化镓。
电化学反应过程中检测电解液的pH值和溴化铜的浓度。根据检测结果，确定是否向电化学反应池补充酸、金属溴化物和水，以维持电解液的pH值为0.7-1，以及溴化铜的浓度为160g/L。
步骤3：刻蚀结束后取出砷化镓冲洗干净。
经过检测后可得出，砷化镓的目标刻蚀量和实际刻蚀量的差值百分比小于0.001％。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种砷化镓刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：
将砷化镓置于电化学反应池的电解液中，其中，所述电解液包括非氧化性酸、金属溴化物和水；
给电化学反应池中的电极通入预定电压，所述预定电压为电解液的pH值和金属溴化物的浓度在预定范围时保持预定刻蚀速率的电压。
2.根据权利要求1中所述的砷化镓刻蚀方法，其特征在于，所述方法还包括监测电解液的pH值和电解液中金属溴化物的浓度，以根据检测结果向电解液中加入非氧化性酸和金属溴化物，使得电解液的pH值和电解液中金属溴化物的浓度保持在预定范围。
3.根据权利要求1所述的砷化镓刻蚀方法，其特征在于，所述方法还包括获取电解液的pH值和电解液中金属溴化物的浓度；
根据电解液的pH值和电解液中金属溴化物的浓度确定刻蚀电压。
4.根据权利要求1所述的砷化镓刻蚀方法，其特征在于，所述预定电压为36V-72V。
5.根据权利要求1所述的砷化镓刻蚀方法，其特征在于，所述非氧化性酸为盐酸，所述金属溴化物为溴化铜。
6.根据权利要求1所述的砷化镓刻蚀方法，其特征在于，所述电解液的pH值为0.7-1。
7.根据权利要求1所述的砷化镓刻蚀方法，其特征在于，所述电解液中金属溴化物的浓度大于或等于130g/L。
8.根据权利要求7所述的砷化镓刻蚀方法，其特征在于，所述电解液中金属溴化物的浓度为140g/L-160g/L。
9.根据权利要求1所述的砷化镓刻蚀方法，其特征在于，所述电化学反应池中的阳极为铂电极，所述电化学反应池中的阴极为石墨电极。
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