文档介绍：Si衬底使用
在利用溶胶—凝胶法制备Bi系薄膜过程中, 衬底选择很关键。 对适宜衬底要求是高电阻率、 高热导率、 低介电常数和介电损耗和良好机械强度。 衬底通常分为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。 大家已经尝试在不一样衬底上制备Bi系薄膜[103-117]。
Si是一个大家熟知半导体材料, 因为其优良机械和电学性能而广泛用于集成电路及器件[118,119]。 和光子学器件相融合, Si衬底能够生长Ge[120]; 用于发光二极管、 高密度光学存放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衬底能够生长ZnO[123]; 将半导体和巨磁阻材料相结合, Si衬底还能够生长La1-xSrxMnO3[124-126]; Si衬底也能够被用来生长超导材料如MgB2[127]。 通常这些材料全部是在Si(100)或Si(111)面上生长, Si(110)面因为特殊重构现象而含有强烈各向异性, 它常常被用作生长低维结构如纳米线[128]。 因为Si在半导体技术和产业中关键地位, 在Si衬底上生长Bi系超导薄膜就显得十分关键。 不过在Si衬底上直接生长Bi系超导薄膜仍然存在很多问题。
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关键工艺技术之一, 要在Si衬底上取得一定结构就需要刻蚀工艺。 刻蚀工艺目标就是将胶层掩模上图形尽可能正确地转移到下面片子上。 结构尺寸越小, 对刻蚀工艺要求也就越高。 首先要求高度各向异性; 其次要求很高选择性和均匀性。 在实际生产过程中还要从生产效率角度考虑, 要求提升刻蚀速率。
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晶片置于等离子体中, 在带有腐蚀性、 含有一定能量离子轰击下, 反应生成气态物质, 去除被刻材料, 此种方法含有各向异性, 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部分。 其最显著特点是各向同性腐蚀, 即图形横向和纵向腐蚀速率相同。 不过也有例外, 部分腐蚀液对Si不一样晶面有不一样腐蚀速率, 形成各向异性腐蚀。 各向异性腐蚀能够得到和衬底相互倾斜腐蚀侧壁, 而干法刻蚀不能取得这种结构。
Si化学湿法刻蚀通常分为两种: 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不一样晶面含有相同腐蚀速率。 现在各向同性腐蚀液广泛采取HF-HNO3-H2O腐蚀系统[144]。
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因为腐蚀液对Si各个面刻蚀速率相同, 在一定掩模保护下, 能够在单晶Si衬底上制备出曲率半径10-15nm, µmSi微尖[145]。
各向异性刻蚀是指特定腐蚀液对Si不一样晶面有着不一样刻蚀速率, 从而在刻蚀达成一定程度后, Si片表面形成终止于最小刻蚀速率面凹槽结构。 很多碱性刻蚀剂均可用于单晶Si各相异性刻蚀, 氢氧化钾(KOH)和氢氧化四***铵是常见Si各向异性刻蚀剂, 其中以KOH为经典代表[146]。 KOH含有以下优点: (1)选择性好; (2)含有较高刻蚀速率, 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片湿法刻蚀技术。
湿法刻蚀
SiO2是常见KOH刻蚀单晶Si掩模材料, SiO2刻蚀速率远远小于Si, 通常热生长SiO2在50℃KOH 溶液中和Si刻蚀速率之比大约为1: 100, 而Si3N4掩模在KOH 中刻蚀速率更小, 所以其刻蚀选择性很好。 不过Si3N4和Si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作用。 所以, 必需采取以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, 这就能确保
Si3N4掩模在刻蚀液中牢靠可靠。 不过利用Si3N4掩模需要SiO2做过渡, 这就增加了工艺复杂性, 所以大家仍然在寻求既经济又便捷掩模材料, 而且取得了一定结果[147]。 最常见替换SiO2和Si3N4掩模材料是金属, 不过金属和Si结合较差, 刻蚀过程中, 刻蚀剂会沿这掩模底部渗透Si基片和金属掩模之间, 从而造成界面间Si刻蚀而使掩模脱落, 起不到保护Si基片作用。 Ti及其氧化物TiO2很耐KOH刻蚀, 而且很稳定, 溅射方法制备TiO2和Si基底结合紧密不易脱落[148], 所以