CN114654097B - 基于分子束外延原位激光干涉光刻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体领域，具体涉及一种基于分子束外延原位激光干涉光刻方法，包括以下步骤，S1：加热基片，所述基片为Ga基或Al基材料，所述加热的温度高于基片材料对应的In基材料的热脱附温度；S2：通入In原子流以充当表面催化剂，引入激光干涉对所述基片进行曝光，完成光刻加工。本发明利用传统的激光干涉在分子束外延系上原位实现对材料进行结构化光刻，相比现有其他非原位的材料微纳加工手段，具有无污染，无氧化，低材料损伤，工艺极其简单高效；另外，能实现材料在Z方向上的刻蚀精度达到原子层级水平。

Description

基于分子束外延原位激光干涉光刻方法
技术领域
本发明属于半导体领域，具体涉及一种基于分子束外延原位激光干涉光刻方法。
背景技术
基于III-V族化合物半导体材料的各类器件已非常广泛应用于探测器、LED、激光器、太阳能电池以及RF通讯等领域。而所有的器件开发制造都离不开两个环节：一个是材料生长；二是材料加工。其中材料生长所使用的设备主要包括如：分子束外延设备以及金属有机物气相沉积设备等。而材料加工这一块主要利用的就是目前最广泛被业界使用的光学光刻这一工艺。实现整个材料微纳结构的制造一般要经历(但不仅限于)以下几个环节：基片表面清洗，涂胶，烘胶，曝光，显影，定影，刻蚀(干法或湿法)、去胶以及再次清洗等。显然整个光刻过程涉及到诸多繁杂的工艺流程以及接触各类化学试剂，因此不可避免存在氧化，污染，引入晶格缺陷(属损伤性破坏)以及加工效率低下成本高昂等问题，另外很难做到对材料实现原子层精度的刻蚀移除。此外，有很多应用器件要求材料加工完后需要再在制备的微纳结构上外延生长新材料(如目前利用图形衬底生长周期性量子点)，显然这种非原位式的光刻方式由于上述提及的诸多缺点，根本无法保障后续材料的晶体质量。因此发明一种能原位在分子束外延系统内直接实现对材料结构化加工的工艺(这样一来，将实现材料生长和材料加工完全融合)具有重大的应用价值。
发明内容
本发明旨在提供一种基于分子束外延原位激光干涉光刻方法，利用传统的激光干涉在分子束外延系上原位实现对材料进行结构化光刻，相比现有其他非原位的材料微纳加工手段，具有无污染，无氧化，低材料损伤，工艺极其简单高效；另外，能实现材料在Z方向上的刻蚀精度达到原子层级水平。
按照本发明的技术方案，所述基于分子束外延原位激光干涉光刻方法，包括以下步骤，
S1：加热基片，所述基片为Ga基或Al基材料，所述加热的温度高于基片材料对应的In基材料的热脱附温度；
S2：通入In原子流以充当表面催化剂，引入激光干涉对所述基片进行曝光，完成光刻加工。
本发明提供的方法是一种原位In元素辅助激光干涉光刻技术，是基于分子束外延系统原位利用激光干涉对III-V族化合物半导体材料进行刻写，对于III-V化合物半导体材料来说，In基材料的热稳定性通常比同类Ga基或者是Al基材料的热稳定性差(例如InAs，InSb，InN热解吸的温度都分别远低于GaAs、GaSb、GaN、AlAs、AlSb以及AlN。此外，由于In原子的原子尺寸最大，所以在纯Ga/Al基材料里掺入In原子会引入很大的应变从而会导致Ga/Al基材料变得不稳定。
进一步的，所述基片的材质为GaAs、GaSb、GaN、AlAs、AlSb或AlN。
进一步的，为抑制激光加工时导致的富III族元素富集形成Ga或Al金属颗粒，故需给较大的V族束流进行抑制补偿，因此，所述步骤S1中，加热基片在V族元素氛围下进行。
进一步的，V族元素通入的束流为(1.7-3.0)×10-5torr。
进一步的，所述步骤S1中，加热的温度高于基片材料对应的In基材料的热脱附温度10-20℃。
具体的，刻GaAs或AlAs时高于InAs热脱附温度10-20℃；刻GaSb或AlSb时高于InSb热脱附温度10-20℃；刻GaN或AlN时高于InN热脱附温度10-20℃。
进一步的，所述步骤S2中，In原子流的束流为0.1-0.3原子层/s。
具体的，所述步骤S2中，由于基片温度高于In与V族元素化合结晶温度，喷射到基片表面的In原子从宏观上来说并不会外延成膜，而从微观上来看In原子其实将经历表面吸附到解吸附离开表面这一动态过程，但考虑到总是有新喷射过来的In原子到达表面，因此可以认为表面始终“漂浮”着一定量的In原子。经实验验证：这些In原子将充当催化剂的作用，极大提高了基底材料内Ga/Al原子的活性。
进一步的，所述步骤S2中，曝光方式为单脉冲曝光。
进一步的，所述步骤S2中，激光的波长为532-193nm，脉宽为10ns，能量为4-50mJ。
进一步的，所述步骤S2中，曝光后还包括在步骤S1中加热温度条件下停留的操作，停留过程中，表面残留的In原子都完全脱附干净，再正常降温取出即可。
进一步的，停留时间为2-5min
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明光刻方法直接原位依托于超高真空分子束外延系统，利用了III-V族化合物半导体材料外延生长领域中In原子的易热解吸性，从而提出了一种In原子充当表面催化活性剂的光刻技术，通过实验验证：引入本发明In原子的这一辅助催化工艺，可实现对材料近乎无损(结构表面仍保留典型的外延级原子层台阶形貌)的刻蚀加工，并在实际中可以简单通过改变曝光激光能量实现z方向单原子层级刻蚀精度的材料移除，而如果没有In原子的辅助催化，直接进行光刻的话会导致严重的材料改性破坏且刻蚀获得的结构化效果很差；此外，本方法相比现有其他非原位的材料微纳加工手段，具有无污染，无氧化，低材料损伤，工艺简单高效；另外特别值得一提的是，本发明将材料生长和材料加工真正原位集成在了一起，未来在半导体微纳结构以及器件生长开发上将带来更多全新的可能性。
附图说明
图1为本发明方法的示意图。
图2为实施例1中AFM测试结果图。
图3为实施例2-4中AFM测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1刻蚀GaAs材料基片
第1步，如图1a所示，将已经长好GaAs缓冲层的GaAs衬底的基底温度设置为545℃(高于InAs热解吸约15℃)，然后将As压(As4)设置为2.0×10-5torr；
第2步，如图1b所示，将In源的束流设置为0.2原子层/s，然后打开In快门；
第3步，如图1c所示，原位引入单脉冲双光束干涉对此时的GaAs基底进行辐照，所用激光参数为：波长532nm、脉宽10ns，能量18mJ，辐照结束后立马关闭In快门并在该温度下停留3min后降温取出。
如图2(a)AFM测试结果所示，激光干涉成功加工出了深度约20个原子层的刻槽，且整个刻槽结构表面仍然保留了典型的原子层台阶形貌。而如果没有本工艺中提出的In原子表面催化这一步，而直接用激光干涉去作用纯的GaAs表面后，其结果如图2(b)所示，刻槽里出现了大量的金属颗粒和纳米孔洞，整个结构表面观察不到任何清晰的原子层台阶形貌。
实施例2刻蚀GaAs材料基片
第1步，将已经长好GaAs缓冲层的GaAs衬底的基底温度设置为545℃(高于InAs热解吸约15℃)，然后将As压(As4)设置为2.0×10-5torr；
第2步，将In源的束流设置为0.2原子层/s，然后打开In快门；
第3步，原位引入单脉冲双光束干涉对此时的GaAs基底进行辐照，所用激光参数为：波长532nm、脉宽10ns，能量4.5mJ，辐照结束后立马关闭In快门并在该温度下停留3min后降温取出。
实施例3刻蚀GaAs材料基片
第1步，如图1a所示，将已经长好GaAs缓冲层的GaAs衬底的基底温度设置为545℃(高于InAs热解吸约15℃)，然后将As压(As4)设置为2.0×10-5torr；
第2步，如图1b所示，将In源的束流设置为0.2原子层/s，然后打开In快门
第3步，如图1c所示，原位引入单脉冲双光束干涉对此时的GaAs基底进行辐照，所用激光参数为：波长532nm、脉宽10ns，能量6mJ，辐照结束后立马关闭In快门并在该温度下停留3min后降温取出。
实施例4刻蚀GaAs材料基片
第1步，如图1a所示，将已经长好GaAs缓冲层的GaAs衬底的基底温度设置为545℃(高于InAs热解吸约15℃)，然后将As压(As4)设置为2.0×10-5torr；
第2步，如图1b所示，将In源的束流设置为0.2原子层/s，然后打开In快门；
第3步，如图1b所示，原位引入单脉冲双光束干涉对此时的GaAs基底进行辐照，所用激光参数为：波长532nm、脉宽10ns，能量8mJ，辐照结束后立马关闭In快门并在该温度下停留3min后降温取出。
如图3所示，激光能量为4.5mJ、6mJ和8mJ，激光干涉分别加工出了深度约1、2和3个原子层的刻槽。
实施例5刻蚀AlSb材料基片
第1步，将已经长好AlSb缓冲层的AlSb衬底的基底温度设置为高于InSb热解吸约10℃，然后将Sb压设置为1.7×10-5torr；
第2步，将In源的束流设置为0.1原子层/s，然后打开In快门；
第3步，原位引入单脉冲双光束干涉对此时的AlSb基底进行辐照，所用激光参数为：波长355nm、脉宽10ns，能量18mJ，辐照结束后立马关闭In快门并在该温度下停留2min后降温取出。
实施例6刻蚀GaN材料基片
第1步，将已经长好GaN缓冲层的GaN衬底的基底温度设置为高于InN热解吸约20℃，然后将N压(N2)设置为3.0×10-5torr；
第2步，将In源的束流设置为0.3原子层/s，然后打开In快门；
第3步，原位引入单脉冲双光束干涉对此时的GaN基底进行辐照，所用激光参数为：波长355nm、脉宽10ns，能量18mJ，辐照结束后立马关闭In快门并在该温度下停留5min后降温取出。
综上，利用In原子的易热解吸特性针对不同刻蚀基底对象提出了一种原位基于分子束外延系统内通过提供一种特殊的热力学外延生长环境，即在较高的V族元素(由加工对象的V族元素成分决定)束流氛围保护下再将基底温度升温高于对应In原子的热解析温度，然后再将一定束流的In原子喷射到基底表面以起到类似“催化剂”的作用，然后再利用成熟的激光干涉方法就能直接实现对基底进行快速近乎无损的光刻，且这一方案的刻蚀深度的控制精度在Z方向能达到原子层级别。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种基于分子束外延原位激光干涉光刻方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：在V族元素氛围下加热基片，所述基片为Ga基或Al基材料，所述基片的材质为GaAs、GaSb、GaN、AlAs、AlSb或AlN，所述加热的温度高于基片材料对应的In基材料的热脱附温度10-20℃；
S2：通入In原子流以充当表面催化剂，引入激光干涉对所述基片进行曝光，完成光刻加工；
In原子流的束流为0.1-0.3原子层/s，曝光方式为单脉冲曝光；激光的波长为532-193nm，脉宽为10ns，能量为4-50mJ。
2.如权利要求1所述的基于分子束外延原位激光干涉光刻方法，其特征在于，所述步骤S1中，V族元素通入的束流为(1.7-3.0) ×10-5 torr。
3.如权利要求1所述的基于分子束外延原位激光干涉光刻方法，其特征在于，所述步骤S2中，曝光后还包括在步骤S1中加热温度条件下停留的操作。
4.如权利要求3所述的基于分子束外延原位激光干涉光刻方法，其特征在于，停留时间为2-5min。
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