CN112185818A - 一种ZnO薄膜的干法刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
一种ZnO薄膜的干法刻蚀方法，包括如下步骤：对ZnO薄膜进行清洗，吹干后待用；在ZnO薄膜表面旋涂一层光刻胶；通过掩模紫外曝光和丙酮清洗获得所需图案；对ICP刻蚀的刻蚀腔进行抽真空；向刻蚀腔内通入甲烷、氢气和氩气，气体流量分别为3 sccm、8 sccm和5sccm，调节真空腔压强为0.13Pa；对刻蚀腔进行预刻蚀；在刻蚀腔内载入ZnO薄膜，调节刻蚀温度为20摄氏度，射频功率设置为200 W，ICP功率设置为500W或1000W，进行刻蚀，完成后取出样品，使用丙酮超声清洗去除光刻胶，获得最终样品。本发明方法能够形成表面光滑，刻蚀界面清晰的ZnO刻蚀界面。
Description
技术领域
本发明涉及一种ZnO薄膜的干法刻蚀方法，属于半导体材料加工技术领域。
背景技术
ZnO是Ⅱ-Ⅵ族直接带隙化合物半导体材料，禁带宽度为3.37eV，室温下激子束缚能高达60 meV，远高于室温热离化能（26 meV），历经多年的发展，ZnO基半导体材料的研究在薄膜生长、杂质调控和器件应用等方面的研究获得了巨大的进展。同时，ZnO具有丰富的纳米结构，容易实现尺寸、形貌和光电性能的调控，ZnO和MgO形成ZnMgO合金可以实现带隙在3.4-7.8电子伏范围内的调节，通过ZnO和ZnMgO形成的界面二维电子气可显著增强电子迁移率，通过掺杂可以显著增强光的散射和电子的传输。虽然ZnO材料的p性掺杂难以实现，但ZnO基金属-半导体-金属（MSM）结构、金属-绝缘体-半导体（MIS）结构、ZnO纳米阵列等在太阳能电池、发光二极管、紫外探测、气敏传感器、光电化学制氢等领域仍具有广泛的应用。
此外，通过对ZnO进行掺杂可以实现较高的可见光透过率和导电性能，有望称为继ITO之后的新一代透明导电薄膜材料，在光电子器件中起到了引导载流子注入或者导出的作用，同时具有光电导、光耦合输入输出功能，是光电子器件的重要组成部分。在应用ZnO薄膜时需要对其进行精细化加工处理，刻蚀ZnO材料是氧化锌器件加工工艺中必不可少的环节，虽然常规的酸、碱刻蚀法可有效的蚀刻ZnO，但所刻蚀的氧化锌界面粗糙，对材料损伤较大，无法克服在ZnO薄膜刻蚀过程中侧向腐蚀严重的问题，严重影响器件的性能。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种能提高ZnO薄膜的刻蚀均匀性和加工效率的ZnO薄膜干法刻蚀方法。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种ZnO薄膜的干法刻蚀方法，其特征在于，
步骤一、对ZnO薄膜进行清洗，吹干后待用；
步骤二、在ZnO薄膜表面旋涂一层光刻胶；
步骤三、通过掩模紫外曝光和丙酮清洗获得所需图案；
步骤四、对ICP刻蚀的刻蚀腔进行抽真空；
步骤五、向刻蚀腔内通入甲烷、氢气和氩气，气体流量分别为3 sccm、8 sccm和5sccm，调节真空腔压强为0.13Pa；
步骤六、对刻蚀腔进行预刻蚀；
步骤七、在刻蚀腔内载入ZnO薄膜，调节刻蚀温度为20摄氏度，射频功率设置为200 W，功率设置为500W至1000W，进行刻蚀，完成后取出样品，使用丙酮超声清洗去除光刻胶，获得最终样品。
对上述技术方案的进一步设计为：所述ZnO薄膜为蓝宝石衬底上生长的厚度3微米的ZnO薄膜。
所述步骤一中，ZnO薄膜分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗15分钟后，用氮气进行吹干。
所述步骤二中，在ZnO薄膜表面旋涂光刻胶的旋涂速度为5000rpm，光刻胶厚度为1.5微米。
所述步骤四中，对刻蚀腔进行抽真空使真空度达到6×10-6 Pa。
所述步骤七中，刻蚀时间为10分钟。
本发明具有的有益效果为：
本发明采用紫外曝光和ICP刻蚀对蓝宝石衬底上的ZnO薄膜进行了干法刻蚀，刻蚀气体采用甲烷（CH4）、氢气（H2）和氩气（Ar），刻蚀温度为20摄氏度，通过调节刻蚀气体流量、刻蚀功率等参数能够形成表面光滑，刻蚀界面清晰的ZnO刻蚀界面，且可提高加工效率。为氧化物半导体器件加工提供了一种高精度的干法刻蚀工艺。
附图说明
图1为本发明实施例一得到的ZnO薄膜的表面和界面扫描电子显微镜图像；
图2为本发明实施例二得到的ZnO薄膜的表面和界面扫描电子显微镜图像。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例一
本实施例的ZnO薄膜的干法刻蚀采用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀法，将蓝宝石衬底上生长的ZnO薄膜分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗15分钟后用氮气吹干备用。薄膜为蓝宝石衬底上生长的厚度3微米的ZnO薄膜。先在ZnO薄膜上旋涂一层光刻胶，旋涂速度为5000rpm，光刻胶厚度为1.5微米。然后通过掩模紫外曝光，并用丙酮清洗获得所需图案；对ICP刻蚀的刻蚀腔进行抽真空使其真空度达到6×10-6 Pa；然后向刻蚀腔内通入甲烷、氢气和氩气，三中气体的气体流量分别为3 sccm、8 sccm和5sccm，调节真空腔压强为0.13Pa；对刻蚀腔进行预刻蚀，以清除腔内残余气体和污染物；再将ZnO薄膜加载到刻蚀腔内，将ICP刻蚀的射频功率设置为200 W，ICP功率设置为1000W，刻蚀温度为20摄氏度，刻蚀时间为10分钟，进行刻蚀，结束后将样品丙酮超声清洗去除光刻胶，获得最终样品。
如图1所示，涂总（a）和（b）是通过实施例一方法刻蚀的ZnO薄膜的表面和界面扫描电子显微镜图像，从图中可以看出所刻蚀的样品表面较光滑，界面清晰；
实施例二
本实施例的ZnO薄膜的干法刻蚀采用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀法，将蓝宝石衬底上生长的ZnO薄膜分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗15分钟后用氮气吹干备用。薄膜为蓝宝石衬底上生长的厚度3微米的ZnO薄膜。先在ZnO薄膜上旋涂一层光刻胶，旋涂速度为5000rpm，光刻胶厚度为1.5微米。然后通过掩模紫外曝光，并用丙酮清洗获得所需图案；对ICP刻蚀的刻蚀腔进行抽真空使其真空度达到6×10-6 Pa；然后向刻蚀腔内通入甲烷、氢气和氩气，三中气体的气体流量分别为3 sccm、8 sccm和5sccm，调节真空腔压强为0.13Pa；对刻蚀腔进行预刻蚀，以清除腔内残余气体和污染物；再将ZnO薄膜加载到刻蚀腔内，将ICP刻蚀的射频功率设置为200 W，ICP功率设置为500W，刻蚀温度为20摄氏度，刻蚀时间为10分钟，进行刻蚀，结束后将样品丙酮超声清洗去除光刻胶，获得最终样品。
如图2所示，图中（a）和（b）是通过实施例二方法刻蚀的ZnO薄膜的表面和界面扫描电子显微镜图像，从图中可以看出所刻蚀的样品表面光滑，界面清晰。
本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。
Claims (6)
1.一种ZnO薄膜的干法刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对ZnO薄膜进行清洗，吹干后待用；
步骤二、在ZnO薄膜表面旋涂一层光刻胶；
步骤三、通过掩模紫外曝光和丙酮清洗获得所需图案；
步骤四、对ICP刻蚀的刻蚀腔进行抽真空；
步骤五、向刻蚀腔内通入甲烷、氢气和氩气，气体流量分别为3 sccm、8 sccm和5sccm，调节真空腔压强为0.13Pa；
步骤六、对刻蚀腔进行预刻蚀；
步骤七、在刻蚀腔内载入ZnO薄膜，调节刻蚀温度为20摄氏度，射频功率设置为200 W，ICP功率设置为500W至1000W，进行刻蚀，完成后取出样品，使用丙酮超声清洗去除光刻胶，获得最终样品。
2.根据权利要求1所述ZnO薄膜的干法刻蚀方法，其特征在于：所述ZnO薄膜为蓝宝石衬底上生长的厚度3微米的ZnO薄膜。
3.根据权利要求1所述ZnO薄膜的干法刻蚀方法，其特征在于：ZnO薄膜分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗15分钟后，用氮气进行吹干。
4.根据权利要求1所述ZnO薄膜的干法刻蚀方法，其特征在于：所述步骤二中，在ZnO薄膜表面旋涂光刻胶的旋涂速度为5000rpm，光刻胶厚度为1.5微米。
5.根据权利要求1所述ZnO薄膜的干法刻蚀方法，其特征在于：所述步骤四中，对刻蚀腔进行抽真空使真空度达到6×10-6 Pa。
6.根据权利要求1所述ZnO薄膜的干法刻蚀方法，其特征在于：所述步骤七中，刻蚀时间为10分钟。
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