一种碳化硅纳米多孔刻蚀方法及刻蚀装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种碳化硅纳米多孔刻蚀方法及刻蚀装置，属于半导体加工技术领域。本发明专利技术的刻蚀方式，包括如下步骤：通过工具电极产生的电解等离子体，在电解液中刻蚀碳化硅；所述工具电极与脉冲电场之间电连接；刻蚀完成后，碳化硅表面形成纳米多孔层。本发明专利技术的刻蚀方法，通过脉冲电场在工具电极表面诱导产生电解等离子体，基于电解等离子体的活性、电化学氧化和等离子体热氧化来促进碳化硅氧化。进一步的，电解液作为刻蚀液，加以电解等离子体活性，实现氧化物刻蚀，最终在碳化硅表面得到纳米多孔结构。同时，电解等离子体激发带来的热流体动力和碳化硅表面能带弯曲能强化电化学反应效率，从而提高碳化硅表面纳米多孔结构刻蚀效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅纳米多孔刻蚀方法及刻蚀装置


[0001]本专利技术属于半导体加工
，具体涉及一种碳化硅纳米多孔刻蚀方法及刻蚀装置。

技术介绍

[0002]单晶碳化硅具有卓越的物理属性、化学稳定性和生物相容性，广泛应用在微电子和生物医疗领域。对碳化硅表面进行表面处理，制备出大面积纳米结构，例如纳米孔、纳米纤维和纳米颗粒等，能提高反应面积比，使检测信号的强度和灵敏度提升，在蛋白质谱分析、血液细胞病变检测、超级电容器和电解制氢系统等领域具有重要的应用价值。然而，碳化硅原子间距离短(0.189nm)且结合能高(约4.5eV)，这种极高的物理、化学鲁棒性，使得碳化硅纳米多孔结构加工非常困难。
[0003]相关技术中，针对碳化硅纳米多孔结构加工，提出了大量加工技术，目前的加工方法主要有以下几种：高能束加工、干法刻蚀和湿法刻蚀。高能束加工主要包括飞秒激光加工、离子束加工和电子束加工。但是，使用飞秒激光加工的纳米多孔结构深度较浅，限制了碳化硅纳米多孔应用性能。相反的，离子束和电子束能加工复杂且大深径比的纳米多孔结构，但是却难以兼顾效率和成本，因此亟需探索新的碳化硅纳米多孔结构加工技术。
[0004]反应离子刻蚀是相关技术中碳化硅纳米多孔结构刻蚀的主要技术之一。然而，碳化硅极强的化学惰性导致刻蚀气体一般为具有强氧化性的SF6或Cl2，这类危险性气体对人体的危害极大，同时对设备的防护要求极高。并且，针对较深的纳米多孔结构，需要结合掩膜技术对工件表面进行多次刻蚀，但是叠加性的工艺使加工效率降低。另一方面，等离子体加速到工件表面与基体材料发生碰撞，这一过程发生剧烈的物理化学反应，对工件表面造成损伤，影响纳米多孔结构的尺寸精度和均匀性。
[0005]湿法刻蚀，主要包括电化学刻蚀、光电化学刻蚀、金属辅助化学刻蚀，具有加工装置简单，刻蚀过程温和的特点，能实现高稳定性、高均匀性纳米多孔刻蚀。然而，碳化硅的氧化需要空穴参与，n型碳化硅中的多子是电子，少子是空穴，这制约了碳化硅的氧化速率。电化学及光电化学虽然能一定程度上解决这个问题，实现空穴激发以及加速离子运动速率，进而提高氧化和刻蚀效率。然而，碳化硅作为宽禁带半导体材料，价带和导带之间的带隙大，导致电子跃迁难度大，因此氧化反应依旧很难发生。相反的，金属的价带和导带重叠，没有禁带。因此，金属辅助化学刻蚀技术，基于金属与碳化硅接触时造成碳化硅表面能带弯曲，能有效提高碳化硅的氧化速率。然而，由于碳化硅超强的化学鲁棒性，使得氢氟酸成为这类加工技术中必不可少的刻蚀液，这对人类和环境都构成严重威胁。
[0006]因此，需要开发一种碳化硅纳米多孔刻蚀方法，该刻蚀方法的加工效率高且绿色环保。

技术实现思路

[0007]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种碳化硅纳米多孔刻蚀方法，该
刻蚀方法的加工效率高且绿色环保。
[0008]本专利技术还提供了一种碳化硅纳米多孔刻蚀装置。
[0009]具体如下，本专利技术第一方面提供了一种碳化硅纳米多孔刻蚀方法，包括以下步骤：通过工具电极产生的电解等离子体，在电解液中刻蚀碳化硅；所述工具电极与脉冲电场之间电连接；刻蚀完成后，碳化硅表面形成纳米多孔层。
[0010]根据本专利技术刻蚀方法技术方案中的一种技术方案，至少具备如下有益效果：
[0011]本专利技术的刻蚀方法，通过脉冲电场在工具电极表面诱导产生电解等离子体，基于电化学氧化和等离子体热氧化来实现碳化硅氧化。进一步的，电解液作为刻蚀液，加以电解等离子体活性，实现氧化物刻蚀，最终在碳化硅表面得到纳米多孔结构。同时，电解等离子体作为一种导电物质，在与碳化硅接触时，能使碳化硅表面能带弯曲，使电化学反应更容易进行。并且，电解等离子体激发时带来的热效应和流体动力效应能强化电化学反应效率和传质效率，从而提高碳化硅表面纳米多孔结构刻蚀效率。
[0012]利用本专利技术的方法能实现高效便捷性、环境友好型刻蚀碳化硅纳米多孔结构，同时具备高加工效率、高加工稳定性的特点。
[0013]根据本专利技术的一些实施方式，所述纳米多孔层中孔的孔径为20nm～100nm。
[0014]根据本专利技术的一些实施方式，所述纳米多孔层中孔的孔径为50nm。
[0015]根据本专利技术的一些实施方式，所述纳米多孔层的厚度为1μm～5μm。
[0016]根据本专利技术的一些实施方式，所述纳米多孔层的厚度为2μm～4μm。
[0017]根据本专利技术的一些实施方式，所述纳米多孔层的厚度为3.2μm。
[0018]根据本专利技术的一些实施方式，所述纳米多孔层中孔的深径比为50～100:1。
[0019]根据本专利技术的一些实施方式，所述纳米多孔层中孔的深径比为60～100:1。
[0020]根据本专利技术的一些实施方式，所述纳米多孔层中孔的深径比为64:1。
[0021]根据本专利技术的一些实施方式，所述脉冲电场的电压为40V～100V。
[0022]脉冲电压控制在上述范围，有利于产生稳定的电解等离子体层；电压过低，无法激发形成电解等离子体层，过高则会导致电解等离子体层被破坏。
[0023]根据本专利技术的一些实施方式，所述脉冲电场的脉冲占空比为30％～70％。
[0024]根据本专利技术的一些实施方式，所述脉冲电场的脉冲占空比为50％。
[0025]根据本专利技术的一些实施方式，所述脉冲电场的脉冲频率为1kHz～500kHz。
[0026]根据本专利技术的一些实施方式，所述脉冲电场的脉冲频率为100kHz。
[0027]根据本专利技术的一些实施方式，所述刻蚀的时间为5min～30min。
[0028]根据本专利技术的一些实施方式，所述电解液为强碱溶液。
[0029]强碱溶液在电场的作用下产生电解等离子体，电解等离子体中含有未成对电子的基团，具有极高的活性，能够与碳化硅发生化学反应，从而实现碳化硅的氧化。
[0030]根据本专利技术的一些实施方式，所述强碱溶液中强碱的质量浓度为10％～40％。
[0031]根据本专利技术的一些实施方式，所述强碱溶液包括氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液中的至少一种。
[0032]根据本专利技术的一些实施方式，所述氢氧化钾溶液中氢氧化钾的质量浓度为10％～40％。
[0033]根据本专利技术的一些实施方式，所述氢氧化钠溶液中氢氧化钠的质量浓度为10％～
40％。
[0034]根据本专利技术的一些实施方式，所述电解液在脉冲电场的作用下产生电解等离子体。
[0035]根据本专利技术的一些实施方式，所述电解等离子体层形成后，溶液的微粒包括OH
·
、OH
‑
、O2·
、H2中的至少一种。
[0036]根据本专利技术的一些实施方式，所述电解等离子体为阴极等离子体。
[0037]根据本专利技术的一些实施方式，所述工具电极包括金属电极。
[0038]由于电解等离子体为导体，在与碳化硅(碳化硅为半导体)发生接触时，半导体中的电子将向导体转移，使导体带负电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅纳米多孔刻蚀方法，其特征在于：包括以下步骤：通过工具电极(104)产生的电解等离子体，在电解液中刻蚀碳化硅；所述工具电极(104)与脉冲电场之间电连接；刻蚀完成后，碳化硅表面形成纳米多孔层。2.根据权利要求1所述的碳化硅纳米多孔刻蚀方法，其特征在于：所述脉冲电场的电压为40V～100V。3.根据权利要求1所述的碳化硅纳米多孔刻蚀方法，其特征在于：所述电解液为强碱溶液。4.根据权利要求1所述的碳化硅纳米多孔刻蚀方法，其特征在于：所述工具电极(104)表面诱导产生电解等离子体层，电解液等离子体层与碳化硅工件(109)相接触。5.根据权利要求1所述的碳化硅纳米多孔刻蚀方法，其特征在于：所述工具电极(104)包括金属电极。6.一种碳化硅纳米多孔刻蚀装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵永华，詹顺达，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：