JP7186116B2 - エッチング液およびエッチング方法 - Google Patents
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(1)本発明は、 炭化ケイ素基材の光電気化学エッチングに用いるエッチング液であって、フッ酸と、硝酸と、界面活性剤と、を含むエッチング液として把握できる。
本発明は、上述したエッチング液中に浸漬した炭化ケイ素基材へ光を照射しつつ通電する処理工程を備えるエッチング方法としても把握できる。
(1)特に断らない限り、本明細書でいう「x~y」は下限値xおよび上限値yを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「a~b」のような範囲を新設し得る。
炭化ケイ素基材(単に、「基材」または「SiC」ともいう。)の光電気化学エッチングでは、SiCのバンドギャップに相当する波長(例えば、4Hなら380nm)よりも短い光(例えば、紫外線)が照射される。これにより、電子-正孔対がSiC中に生成される。その電子はバイアス印加によって引き抜かれ、残った正孔(ホール:h+)はSiCの表面側(処理面側)に移動する。
SiC+4H2O+8h+ → SiO2+CO2+8H+ (1)
SiC+2H2O+4h+ → SiO +CO +4H+ (2)
(1)種類
エッチング液に含まれる界面活性剤は、通常、親水基と疎水基(または親油基)を有する。界面活性剤は、エッチング液中で電離して親水基がイオン化するイオン性界面活性剤と、イオン化しないノニオン性(非イオン性)界面活性剤とに大別される。
光電気化学エッチングは、通常、エッチング液に浸漬したSiCをアノード側(陽極側)としてなされる。このとき、エッチング液が電離により親水基が陰イオンとなるアニオン性界面活性剤を含むと、アニオン性界面活性剤のエッチング液中における濃度は、例えば、0.0001%以上、0.0005%以上、0.001%以上さらには0.01%以上であるとよい。その上限値は問わないが、敢えていうなら、アニオン性界面活性剤の濃度は、例えば、1%以下、0.5%以下さらには0.1%以下とするとよい。
フッ酸は、例えば、エッチング液全体に対して0.5~10%、1~5%さらには1.3~3%含まれるとよい。フッ酸が過少ではエッチング速度が低下し得る。フッ酸が過多になると、エッチング面の多孔質化や表面粗さ増大を招き得る。
硝酸は、例えば、エッチング液全体に対して6%以上、10%以上、20%以上、30%以上さらには40%以上含まれるとよい。その上限値は、敢えていうと、60%以下、55%さらには50%以下とするとよい。いずれの場合でも、硝酸等はフッ酸に対して十分な濃度であるとよい。硝酸等がフッ酸に対して過少であると、酸化反応の促進や多孔質化の抑制が図られず、ひいては、エッチング面の表面粗さの低減や平滑化が阻害され得る。
(1)処理工程
光電気化学エッチングは、上述したようなエッチング液に浸漬したSiC(基材)に対して、特定波長域の光を照射しつつ通電を行う処理工程を伴う。基材表面への照射光は、SiCのバンドギャップを考慮して、例えば、波長が150~300nmさらには200~280nmである紫外光である。その照度は、例えば、1~100mW/cm2さらには3~10mW/cm2とできる。
エッチング対象であるSiCは、SiとCの結晶体からなる。結晶構造の相違により、多数の種類があるが、いずれのSiCもエッチング対象となり得る。半導体基材(基板)となるSiCは、例えば、六方晶系(2H、4H、6H等)または立方晶系(3C等)である。
本実施例で用いた光電気化学エッチング装置1(単に「装置1」という。)の概要を図5に示す。装置1は、ランプ100と、光ファイバー101と、レンズ103と、槽110と、攪拌子111と、スターラー112と、電極121、122と、配線123、124と、電流計130とを備えている。
フッ酸(HF):1.6%、硝酸(HNO3):48%、残部:水(溶媒)および界面活性剤からなるエッチング液を多数調製した(表1の試料11~46)。濃度は、エッチング液(水溶液)全体に対する質量割合である。
カチオン性界面活性剤:デシルアミン (東京化成工業株式会社製)
ノニオン性界面活性剤:トリトンX-100 (アルドリッチ製)
両性界面活性剤 :ラウリルスルホベタイン(アルドリッチ製)
アニオン性界面活性剤:デカン酸 (東京化成工業株式会社製)
図5に示した装置1と、表1に示した各試料に係るエッチング液とを用いて、4H-SiC(n型)からなるSiC基板20のSi面に対して光電気化学エッチング(処理工程)を、次の条件下で行った。
エッチング液温:室温(約25℃)、エッチング時間:2分間
電流密度:260~780mA/cm2
(但し、特に断らないとき、電流密度:780mA/cm2とした。)
(1)表面粗さ
各エッチング面の表面粗さ(Ra:算術平均粗さ)を、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)で測定した。その結果を表1に併せて示した。なお、表面粗さ(Ra)には、視野5μm角におけるAFM(エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製 NNREAL/E-SWEEP-TOZM01)に付属している処理ソフトの算出値を採用した。
処理前の各エッチング液を、未処理な4H-SiC表面(Si面)上に滴下して、その接触角を測定した。その結果を表1に併せて示した。なお、接触角の測定は、4H-SiC基板Si面上に4μlのエッチング液を滴下し、1分以内に接触角計(協和界面科学株式会社製DMo-501)にて接触角を直読し、5点の平均をとった。
試料14と試料C1のエッチング液を用いてエッチングした各基材の断面(エッチング面近傍)を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した様子を図1に示した。
(1)界面活性剤の有無
図1から明らかなように、界面活性剤を含むエッチング液で処理すると、界面活性剤を含まないエッチング液で処理したときよりも、表面粗さが大幅に低減され、平滑なエッチング面が得られた。なお、界面活性剤を含むエッチング液を用いた場合、エッチング面に多孔質層は殆ど観察されなかった。これは断面のSEM観察により確認した。
界面活性剤を含むエッチング液(試料14)と界面活性剤を含まないエッチング液(試料C1)とを用いて、種々の電流密度で処理した。各電流密度で得られたエッチング面の表面粗さ(Ra)を図2にまとめて示した。図2から明らかなように、界面活性剤を含むエッチング液を用いた場合、電流密度が大きいときのみならず、電流密度が小さいときでも、エッチング面の表面粗さは十分に小さかった。
カチオン性界面活性剤を含むエッチング液(試料11~15)を用いて処理したときのエッチング面の表面粗さと、その界面活性剤の濃度との関係を図3Aに示した。また、処理前の各エッチング液の接触角と、その界面活性剤の濃度との関係を図3Bに示した。
アニオン性界面活性剤を含むエッチング液(試料41~46)を用いて処理したときのエッチング面の表面粗さと、その界面活性剤の濃度との関係を図4に示した。
20 SiC基板
30 エッチング液
Claims (10)
- 炭化ケイ素基材の表面を光電気化学エッチングするために用いるエッチング液であって、
フッ酸と、
硝酸と、
界面活性剤とを含み、
該界面活性剤は、カチオン性界面活性剤、両性界面活性剤またはノニオン性界面活性剤の少なくとも一種以上を合計で、該エッチング液全体に対して0.001質量%以上含むエッチング液。 - 前記炭化ケイ素基材に対する前記エッチング液の接触角は10°以下である請求項1に記載のエッチング液。
- 炭化ケイ素基材の表面を光電気化学エッチングするために用いるエッチング液であって、
フッ酸と、
硝酸と、
界面活性剤とを含み、
該界面活性剤は、アニオン性界面活性剤を該エッチング液全体に対して0.0001質量%以上含むエッチング液。 - 前記炭化ケイ素基材に対する前記エッチング液の接触角は23°以下である請求項3に記載のエッチング液。
- 前記フッ酸は、前記エッチング液全体に対して0.5~10質量%含まれる請求項1~4のいずれかに記載のエッチング液。
- 前記硝酸は、合計で前記エッチング液全体に対して6質量%以上含まれる請求項1~5のいずれかに記載のエッチング液。
- 請求項1~6のいずれかに記載のエッチング液中に浸漬された炭化ケイ素基材の表面へ光を照射しつつ通電する処理工程を備えるエッチング方法。
- 前記処理工程は、波長が150~300nmで照度が1~100mW/cm2である光を、前記炭化ケイ素基材の表面へ照射してなされる請求項7に記載のエッチング方法。
- 前記処理工程は、電流密度が150~1500mA/cm2である直流を、前記炭化ケイ素基材へ通電してなされる請求項7または8に記載のエッチング方法。
- 前記処理工程は、前記エッチング液の温度が5~45℃でなされる請求項7~9のいずれかに記載のエッチング方法。
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