半导体激光诱导液膜浸润刻蚀技术研究

论文摘要

本文提出了一种新的半导体加工技术——半导体激光诱导液膜浸润腐蚀法,它与普通化学腐蚀相比,可以有效地消除晶体取向影响,制作出更加多样化的腐蚀图形,并且精确度有很大的提高;与激光诱导气相腐蚀相比,其工艺条件更加容易实现,操作更加简单;与干法离子刻蚀相比,对基片无离子损伤,腐蚀过程容易控制,成本低;与普通激光诱导液相腐蚀相比,又具有腐蚀区域可控等优点,正因如此,半导体激光诱导液膜浸润腐蚀法在微电子、光电子、光电集成等领域都将有广阔的应用前景,并对现有的半导体加工工艺提供了重要的补充。本文的工作就是围绕半导体GaAs基片的激光诱导液膜浸润刻蚀技术开展的,主要的研究结果和创新之处如下:1)观察液膜自然浸润过程研究,对边缘腐蚀效果的观察与分析受液滴自身的重力和固-液表面张力的影响,GaAs表面的腐蚀液滴厚度逐渐变薄,面积变大,向四周扩散。由于液滴在GaAs基片表面的扩散是持续进行的,受腐蚀部分也随之向外扩散,但是由于腐蚀液滴边缘越来越薄,并且腐蚀时间相对于中间的也更短,所以腐蚀的效果也越微弱,腐蚀效果出现由内而外渐变的情况。本文对这些现象进行了观察与分析,得到重要结论。2)横向腐蚀特性以及腐蚀表面均匀性的分析本文主要从横向腐蚀特性研究以及表面腐蚀粗糙度两个方面对腐蚀效果进行分析。横向腐蚀不利于圆孔的获得,所以必须研究横向化学腐蚀速率从而减小横向腐蚀对生成的圆孔的影响,本文通过多种腐蚀液分别对GaAs进行腐蚀,并观察它们的横向腐蚀效果,为混合腐蚀溶液的配比比例提供了依据。另外,我们利用红外热像监测系统,获得GaAs上腐蚀浅液层的红外灰度数值分布,通过分析得到GaAs表面粗糙度的变化规律。3)半导体基片精细圆孔的激光诱导液膜浸润腐蚀制作考虑到圆孔型探测器等高技术产品的实际需求,也作为激光诱导液膜浸润腐蚀新工艺的实验验证,用激光诱导液膜浸润法在半导体表面制作圆孔图形,分析图形轮廓畸变的原因,并提出相应的改善办法。由于液膜表面存在弧度,所以光斑会扩散,加之晶体的各向异性,在不同的方向上反应速度不同,圆孔制作相当困难。本文首先通过多组改变液膜厚度和面积的实验,已经使图样形状有了一定的改善。另外,溶液配比也会影响腐蚀孔的质量。双氧水的浓度过高加快了横向腐蚀速率,使腐蚀孔边缘轮廓发生畸变,而浓度过低又会导致反应速度缓慢,腐蚀效果不明显。本文通过多组实验,优化溶液浓度配比,从而在得到较高纵向腐蚀速率的同时减少横向腐蚀情况。最后,由于晶体的各向异性,在不同的晶向上反应速度不同,也会严重地影响腐蚀孔的质量,生成椭圆孔。本文提出利用激光化学液相两步腐蚀法消除晶向影响,最终得到较高质量圆形孔。本文的主要创新点在于:用“两步法”抑制晶体各向异性的影响,以腐蚀成预期的精细图样;通过激光诱导腐蚀面的红外热像及其相关分析实现腐蚀基片表面粗糙度的实时观测。据我们所知,上述创新点在国内外文献中都未见报道。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外动态
• 1.2.1 激光化学国内外动态
• 1.2.2 半导体湿腐法和液膜浸润刻蚀法研究动态
• 1.2.3 半导体激光诱导化学腐蚀的研究动态
• 1.3 本文主要研究体系
• 第二章 基本理论分析
• 2.1 液滴分析与杨氏方程
• 2.2 光化学基本概念
• 2.2.1 光化学第一定律
• 2.2.2 光化学第二定律
• 2.3 原子对光的吸收
• 2.4 分子对光的吸收
• 2.5 溶液的光化学
• 2.6 离子型物质的光化学
• 2.7 半导体工艺中的激光化学
• 2.8 GaAs的腐蚀特性
• 第三章 液膜自然浸润过程与边缘腐蚀特性
• 3.1 实验装置与原理
• 3.1.1 实验装置
• 3.1.2 实验原理
• 3.2 液膜自然浸润过程研究
• 3.2.1 观察浸润过程
• 3.2.2 液滴浸润分析
• 3.3 液膜边缘腐蚀效果的观察与分析
• 3.3.1 观察液膜边缘腐蚀效果
• 3.3.2 实验结果的分析
• 第四章 横向腐蚀特性以及腐蚀表面均匀性的分析
• 4.1 横向腐蚀研究
• 4.1.1 实验装置与方法
• 4.1.2 实验原理
• 4.1.3 实验结果与分析
• 4.2 液膜浸润刻蚀表面粗糙度研究
• 4.2.1 实验装置与方法
• 4.2.2 浅液层简化热模型下的灰度标准差值与粗糙度关系分析
• 4.2.3 粗糙度测定的具体方法
• 4.2.4 粗糙度变化特性的灰度归一化标准差值表征
• 第五章 激光诱导液膜浸润法制作圆孔
• 5.1 实验装置与原理
• 5.1.1 实验原理
• 5.1.2 实验装置与方法
• 5.2 调整液膜表面弧度比较圆孔形状
• 5.2.1 实验原理
• 5.2.2 实验结果与讨论
• 5.3 调整溶液配比比较圆孔形状
• 5.3.1 实验原理
• 5.3.2 实验结果与分析
• 5.4 消除晶向影响的方法
• 5.4.1 实验装置
• 5.4.2 实验理论基础
• 5.4.3 实验结果与讨论
• 第六章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果