文档介绍：Si衬底的使用
在利用溶胶—凝胶法制备Bi系薄膜的过程中,衬底的选择非常关键。对适宜衬底的要求是高电阻率、高热导率、低介电常数和介电损耗以及良好的机械强度。衬底一般分为4类:(1)AB2CO3 型钙钛矿结构如:REBa2SbO6 (RE为稀土元素);(2)ABO3型钙钛矿结构如:SrTiO3;(3)非钙钛矿结构如:MgO;(4)金属衬底如:Ag。人们已经尝试在不同的衬底上制备Bi系薄膜[103-117]。
Si是一种人们熟知的半导体材料,由于其优良的机械和电学性能而广泛用于集成电路及器件[118,119]。与光子学器件相融合,Si衬底可以生长Ge[120];用于发光二极管、高密度光学存储用紫光激光器等器件,Si衬底生长GaN[121,122];用于气体传感器、光点探测器等器件,Si衬底可以生长ZnO[123];将半导体和巨磁阻材料相结合,Si衬底还可以生长La1-xSrxMnO3[124-126];Si衬底也可以被用来生长超导材料如MgB2[127]。通常这些材料都是在Si(100)或者Si(111)面上生长的,Si(110)面由于特殊的重构现象而具有强烈的各向异性,它经常被用作生长低维结构如纳米线[128]。由于Si在半导体技术和产业中的重要地位,在Si衬底上生长Bi系超导薄膜就显得十分重要。但是在Si衬底上直接生长Bi系超导薄膜仍然存在许多问题。
Si衬底表面改型
在众多半导体工艺中,刻蚀是决定特征尺寸的核心工艺技术之一,要在Si衬底上获得一定的结构就需要刻蚀工艺。刻蚀工艺的目的就是将胶层掩模上的图形尽可能精确地转移到下面的片子上。结构尺寸越小,对刻蚀工艺的要求也就越高。一方面要求高度的各向异性;另一方面要求很高的选择性和均匀性。在实际的生产过程中还要从生产效率的角度考虑,要求提高刻蚀速率。
刻蚀分类
刻蚀分为干法刻蚀和湿法刻蚀两类。
干法刻蚀方法以等离子体技术为基础。这种方法是将被加工的晶片置于等离子体中,在带有腐蚀性、具有一定能量离子的轰击下,反应生成气态物质,去除被刻材料,此种方法具有各向异性,但设备昂贵,过程复杂,单片成本较高。
化学湿法刻蚀是将晶片浸泡在腐蚀液中,用化学方法除去不要的部分。其最显著的特点是各向同性腐蚀,即图形横向和纵向的腐蚀速率相同。但是也有例外,一些腐蚀液对Si的不同晶面有不同的腐蚀速率,形成各向异性腐蚀。各向异性腐蚀可以得到与衬底相互倾斜的腐蚀侧壁,而干法刻蚀不能获得这种结构。
Si的化学湿法刻蚀一般分为两种:各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。
各向同性刻蚀顾名思义就是利用腐蚀液对Si的不同晶面具有相同的腐蚀速率。目前各向同性腐蚀液广泛采用HF-HNO3-H2O腐蚀系统[144]。
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由于腐蚀液对Si的各个面的刻蚀速率相同,在一定的掩模的保护下,可以在单晶Si衬底上制备出曲率半径10-15nm,µm的Si微尖[145]。
各向异性刻蚀是指特定的腐蚀液对Si的不同晶面有着不同的刻蚀速率,从而在刻蚀达到一定程度后,Si片表面形成终止于最小刻蚀速率面的凹槽结构。许多碱性刻蚀剂均可用于单晶Si的各相异性刻蚀,氢氧化钾(KOH)和氢氧化四***铵是常用的Si的各向异性刻蚀剂,其中以KOH为典型代表[146]。KOH具有以下优点:(1)选择性好;(2)具有较高的刻蚀速率,刻蚀表面光滑;(3)易于控制,操作方便。这使得KOH被广泛用于Si片的湿法刻蚀技术。
湿法刻蚀
SiO2是常用的KOH刻蚀单晶Si的掩模材料,SiO2的刻蚀速率远远小于Si,一般热生长的SiO2在50℃的KOH 溶液中与Si的刻蚀速率之比大约为1:100,而Si3N4掩模在KOH 中的刻蚀速率更小,所以其刻蚀选择性很好。但是Si3N4与Si的热膨胀系数相差较大,其薄膜在Si片上会出现裂纹甚至脱落,根本不能起到掩模层的作用。因此,必须采用以SiO2层为中间层,先在Si圆片上生长一层SiO2,然后再低温沉积Si3N4,这就能保证Si3N4掩模在刻蚀液中牢固可靠。但是利用Si3N4掩模需要SiO2做过渡,这就增加了工艺的复杂性,因此人们仍然在寻找既经济又便捷的掩模材料,并且取得了一定的成果[147]。最常用的替代SiO2和Si3N4的掩模材料是金属,但是金属与Si的结合较差,刻蚀的过程中,刻蚀剂会沿这掩模的底部渗入Si基片和金属掩模之间,从而造成界面间的Si刻蚀而使掩模脱落,起不到保护Si基片的作用。Ti及其氧化物TiO2非常耐KOH的刻蚀,而且很稳定,溅射方法制备的TiO2与Si基底结合紧密不易脱落[148],因此它们可能成为理想的Si各向异性湿法刻蚀的掩模材料。
由KOH与Si 的反应方程式() 可知,在Si表面产生不可溶解的残留