摘要：本文采用用感應耦合等離子體蝕刻設備，借助六氯化硫和氮氣對外延生長在藍寶石襯底上的氧化鎵薄膜進行了蝕刻。通過改變兩種二氧化碳輸入流量比，研究其氧化鎵蝕刻速度和蝕刻后氧化鎵薄膜的結晶、表面形貌和光學特點的影響。發覺在本實驗所選條件下，當六氯化硫和氫氣流量比為15:5時，氧化鎵薄膜的蝕刻速度最高，蝕刻后的氧化鎵薄膜具有更低的表面粗糙度和更高的紫外光透射率。上述研究結果，對于擴充氧化鎵元件的應用具有挺好的10推動作用。
關鍵詞：氧化鎵；濕法蝕刻；感應耦合等離子體涂覆；蝕刻速度
0序言
氧化鎵（Ga2O3）是一種III-VI族直接寬帶隙半導體材料，有α-Ga2O3、β-Ga2O3、γ-Ga2O3，δ-Ga2O3，ε-Ga2O3五種同分異構體。以單斜晶系的β-Ga2O3最為穩定，而其它四種結構的Ga2O3材料在一定濕度下均可向β相Ga2O3轉變[1]。Ga2O3的禁帶長度大（在4.2-4.9eV之間），擊穿場強高達8MV/cm離子刻蝕，優值為3444，這種參數遠超過4H-SiC和GaN，顯示了它在大功率元件方面的應用潛力，早已有基于Ga2O3的肖特基晶閘管，等見諸報導[2][3]。Ga2O3的濁度率和二氧化碳在低溫下具有相關性，但是熱穩定性和物理穩定性強，可作為二氧化碳偵測器[4]。Ga2O3透明度高，折射率為1.97，比大多數Ⅲ-Ⅴ族半導體材料低，在紫外透明導電薄膜（TCO），抗反射鍍層方面均有應用[5]。
Ga2O3作為電介質層時，須要蝕刻漏出柵源區進行參雜，作為傳感時須要涂覆以使其偵測面積減小，Ga2O3基半導體元件同面電極制做時也須要蝕刻。作為半導體元件制備中的核心工藝，蝕刻技術對Ga2O3的應用的重要性不言而喻。但是據我們所知，目前對于Ga2O3材料蝕刻的研究主要集中于干法蝕刻，例如等人研究了H3PO4，H2SO4對Ga2O3的蝕刻[6]，等人研究了HF，NaOH對Ga2O3的蝕刻[7]。但是干法蝕刻半導體材料在半導體元件制備上有其固有的缺點，蝕刻均勻性差，大面積加工時浪費材料；元件規格步入μm級時，干法蝕刻的毛細現象和各向同性無法保證蝕刻精度和臺面結構的崎嶇[8]。而濕法涂覆以其大范圍均勻性，蝕刻選擇性高，蝕刻各向異性好，成本低，控制簡便等優點，早以成為半導體元件制備的主流工藝。
常見的濕法蝕刻設備包括反應離子蝕刻（RIE），感應耦合等離子體蝕刻（ICP），電子回旋共振等離子體涂覆（ECR）等。RIE蝕刻等離子體含量低，不能控制襯底直流展寬而在提升蝕刻速度和減少表面損傷之間存在矛盾。ECR存在設備復雜，穩定性差等問題。ICP設備結構簡單，同時具有兩個射頻電源，等離子體密度高，蝕刻均勻性好，表面損傷低等優點，因而本實驗選擇ICP蝕刻來研究其對Ga2O3材料蝕刻后基本特點的影響[9]。
1實驗
首先采用MOCVD方式在2英寸藍寶石上外延生長長度約為1μm的Ga2O3薄膜，將其切割成若干個規格為1×1cm2的樣品備用。蝕刻前我們借助F20-膜厚儀對每位樣品的長度進行了細致檢測，即在樣品上選定五個不同的檢測點進行測試后求平均值；蝕刻后樣品的長度也采用此方式進行確定，并借助蝕刻前后的長度差估算平均蝕刻速度。
其次借助創世威納公司制造的型感應耦合等離子體設備對Ga2O3薄膜進行濕法蝕刻。實驗中我們選擇六氯化硫（SF6）和氫氣（Ar）為蝕刻二氧化碳，固定通入腔室外總蝕刻二氧化碳的流量為，在SF6與Ar流量比為0:20、5:15、10:10、15:5和20:0的條件下，蝕刻出多組樣品。射頻功率分別為600W和150W，腔室氣壓為1.5Pa，蝕刻時間為10min。最后借助X射線衍射儀（XRD）、UV-3600型紫外-可見-紅外雙光束分光光度計和原子力顯微鏡（AFM），對蝕刻前后的氧化鎵樣品的結晶特點、光學特點和表面形貌進行了測試表征。
2結果與討論
2.1SF6與Ar流量比對氧化鎵蝕刻速度的影響
圖1氧化鎵蝕刻速度與蝕刻二氧化碳流量比的關系曲線，插圖為蝕刻原理示意圖
圖1所示為在不同SF6與Ar流量比條件下測得的氧化鎵薄膜蝕刻速度變化曲線。從圖中可以看出，單獨借助Ar二氧化碳對氧化鎵薄膜進行滲氮時，其蝕刻速度非常平緩離子刻蝕，在所選蝕刻條件下幾乎不能對氧化鎵薄膜形成顯著的蝕刻作用。這主要是由于氧化鎵中Ga-O鍵能較高（363.6KJ/mol），Ar離子的轟擊能量還不足以使其破裂，造成蝕刻療效并不顯著。當在蝕刻二氧化碳中加入SF6后，氧化鎵薄膜的蝕刻速度獲得急劇增強，所選三組流量比條件下測得的蝕刻速度均介于30nm/min至35nm/min范圍之內。同時我們還可發覺，氧化鎵薄膜的蝕刻速度受SF6與Ar流量比變化的影響并不明顯。而對于單獨使用SF6二氧化碳的情況，氧化鎵薄膜的蝕刻速度略有升高。
插圖是借助SF6與Ar等離子體進行氧化鎵薄膜ICP蝕刻的原理圖，蝕刻過程可分為以
下四個步驟。首先是FX離子吸附在氧化鎵薄膜表面，其次是吸附的FX離子與氧化鎵薄膜發生反應生成GaFX和其它氣態產物，再度是S與Ar離子轟擊薄膜表面的GaFX產物，最后是鍵能較低的GaFX從薄膜表面脫附下來。由此可見，氧化鎵薄膜的蝕刻是化學-物理雙重作用的結果。這就挺好的解釋了單獨使用Ar二氧化碳無法蝕刻氧化鎵薄膜，而單獨使用SF6才能蝕刻氧化鎵薄膜雖能蝕刻但其蝕刻速度有所增長的實驗現象。
2.2SF6與Ar流量比對蝕刻后氧化鎵結晶特點和表面粗糙度的影響
固定二氧化碳總流量為，Ar與SF6流量比為10:10，下射頻功率為150W，腔室氣壓為1.5Pa，改變上射頻功率，得到β-Ga2O3的蝕刻速度如下：
圖2蝕刻前后氧化鎵薄膜的XRD測試結
圖2所示為在不同SF6與Ar流量比條件下蝕刻后氧化鎵薄膜的XRD測試曲線。從圖中可以見到，蝕刻前后的樣品均出現了四個顯著的衍射峰，但是衍射峰值位置基本相同。其中坐落41.7°的衍射峰對應于藍寶石襯底的（0006）面衍射，而坐落坐落18.94°、38.42°和59.08°的衍射峰，對應于β相Ga2O3的（2-01），（4-02）和（6-03）面的衍射[10]。從XRD測試結果中可以看出，蝕刻前后氧化鎵薄膜的晶體結構并沒有發生顯著的變化。
圖3蝕刻前后氧化鎵薄膜的表面粗糙度隨蝕刻二氧化碳比列變化曲線
圖3為蝕刻前后氧化鎵薄膜表面粗糙度（RMS）的變化曲線。從圖中可以見到，相較于蝕刻前的樣品，五組蝕刻后樣品的RMS值均減少，并在SF6:Ar=15:5的比列下達到最低
值1.97nm。對于蝕刻后氧化鎵薄膜RMS的變化趨勢，可從上述蝕刻模型中獲得解釋。當只用Ar二氧化碳時，即使不能對氧化鎵薄膜形成顯著的蝕刻療效，但可起到“清潔”作用，即可將附著在氧化鎵薄膜表面的結合能力較弱的物質去除掉，進而降低樣品的RMS值。對于SF6:Ar為5:15和10:10條件下蝕刻的樣品，因為SF6二氧化碳含量還不夠大，導致氧化鎵表面單位面積上的Fx離子的吸附和物理反應情況略有不同，致使蝕刻均勻性遭到影響，導致RMS值小幅下降。當繼續減小SF6在蝕刻二氧化碳中的比列（達15:5時），氧化鎵薄膜表面Fx離子吸附與反應的均勻性獲得提升，反應產物在S與Ar離子的轟擊下可從樣品表面及時脫附出去，進而促使蝕刻后氧化鎵薄膜的RMS值顯著降低。若僅用SF6作為蝕刻二氧化碳，因為缺乏了Ar離子的轟擊，樣品表面將積累無法通過化學轟擊過程而及時脫附出去的GaFX，造成了氧化鎵薄膜的RMS值顯著下降。
2.3SF6與Ar流量比對蝕刻后氧化鎵薄膜光學特點的影響
圖4不同二氧化碳流量比條件下蝕刻后氧化鎵薄膜的透射譜，插圖是對應樣品的光學禁帶長度
蝕刻后樣品的透射譜測試結果如圖4所示。從圖中可以見到，未經蝕刻處理的氧化鎵薄
膜于可見光區的平均透射率在80%以上，當單獨使用Ar二氧化碳進行滲氮后，氧化鎵薄膜的透射特點變化較為顯著，具體表現為吸收邊不再險峻，即在500nm左右開始出現顯著的吸收現象。我們覺得這是因為Ar離子的轟擊，在氧化鎵表面產了生大量空位缺陷，缺陷吸收造成了樣品透射特點的變化。對于SF6:Ar為5:15和10:10條件下蝕刻的氧化鎵薄膜，透射率雖略有增加并且吸收邊仍舊險峻，表明蝕刻對其透射特點影響并不顯著。而對于SF6:Ar為15:5和全部為SF6二氧化碳時，蝕刻后樣品在可見光區的平均透射率獲得了顯著提升（達到95%），并且依照目前早已獲得測試結果還不能確定其形成緣由，須要對樣品做進一步的表征與剖析。另外，我們還估算了未蝕刻和蝕刻后各個樣品的光學禁帶長度，結果如插圖所示。當SF6與Ar的流量比為15:5時，蝕刻后氧化鎵薄膜的光學禁帶長度最大。表明在此條件下蝕刻后的氧化鎵薄膜才能透過更長波長的光，其“透明性”獲得提升。
3推論
本文采用ICP設備，借助SF6和Ar二氧化碳對外延生長在c面藍寶石襯底上的氧化鎵薄膜進行了蝕刻。在實驗所選條件下，我們發覺單純使用Ar作為蝕刻二氧化碳，無法對氧化鎵進行有效蝕刻，盡管Ar離子的轟擊會促使氧化鎵薄膜表面粗造度有所增加，并且因轟擊而形成的缺陷，會明顯增加氧化鎵薄膜的光學質量。當在蝕刻氣體中加入SF6后，氧化鎵薄膜的蝕刻速度顯著增強。膜厚和XRD測試結果表明蝕刻前后氧化鎵薄膜的蝕刻速度和晶體質量基本不受SF6與Ar流量比變化的影響，但其表面粗糙度和光學特點受流量比的影響較為明顯。