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引言
在電子器件用半導(dǎo)體單晶的表面加工中，要求在平坦、光滑的同時(shí)，盡可能地減少晶體缺陷的導(dǎo)入。一般來(lái)說(shuō)，在研磨等機(jī)械加工中，由于從表面的凸部選擇性地進(jìn)行去除，因此可以高效率地改善表面的平坦度，但是在加工面上殘留加工劣化層。另一方面，在濕法蝕刻和等離子蝕刻等化學(xué)加工的情況下，雖然沒(méi)有加工變質(zhì)層的殘留，但是由于沒(méi)有積極的平坦化結(jié)構(gòu)，所以一般不能進(jìn)行平坦、平滑化。另外，在表面層有結(jié)晶缺陷的情況下，其高能點(diǎn)被選擇性地蝕刻，也有粗糙化的情況。
我們?cè)谛碌幕瘜W(xué)蝕刻中引入了基準(zhǔn)面，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)無(wú)損傷且高效率的平坦·平滑化的催化劑表面基準(zhǔn)蝕刻法。在此，對(duì)該概念進(jìn)行介紹，并介紹適用于單晶SiC和單晶GaN基板加工的例子。
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SiC的加工和加工后表面的觀察
在SiC的CARE中，作為催化劑材料使用鉑，作為反應(yīng)溶液使用氫氟酸水溶液。目前，通過(guò)對(duì)表面Si的背面結(jié)合的HF分子的解離吸附進(jìn)行蝕刻，可以認(rèn)為是鉑促進(jìn)了該反應(yīng)。根據(jù)CARE法的研磨裝置的例子如圖2所示。通過(guò)使被加工物表面與浸入加工溶液中的催化劑表面接觸，同時(shí)使其相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行加工。
對(duì)4H―SiC（0001）表面（n型，0.02～0.03`cm）的加工結(jié)果進(jìn)行論述。使用刮擦和微裂紋存在于整個(gè)表面的研磨面，通過(guò)CARE進(jìn)行約1mm和約2mm的加工，觀察加工前后的表面。圖3是觀察60 mm×80 mm的領(lǐng)域的結(jié)果。(a)，(b)，(c)觀察同一場(chǎng)所，通過(guò)約1mm的加工，加工前看到的微裂紋，留下箭頭所示的深裂紋消失，約2mm加工后，所有的微裂紋消失。這表明，化學(xué)蝕刻只在凸部進(jìn)行，可以使晶圓平坦、平滑化。
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圖3 用微分干涉顯微鏡觀察的CARE加工中的平坦化過(guò)程
圖5顯示了利用原子力顯微鏡觀察到的結(jié)果。插入到左上方的圖是加工前的AFM像。加工后的表面觀察到的臺(tái)階的高度約為0.25 nm，與4H―SiC結(jié)晶的1雙層的高度相對(duì)應(yīng)。加工表面極其平坦，可以看出寬闊的平臺(tái)和狹窄的平臺(tái)是規(guī)則地交替形成的。加工表面的Si原子，通過(guò)X射線光電子分光的測(cè)量，可以知道通過(guò)F或者OH被終結(jié)。
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圖5 4H-SiC（0001）CARE加工表面的AFM圖像
另外，通過(guò)掃描型隧道顯微鏡的原子像觀察和低速電子束衍射的觀察，加工后的4H―SiC（0001）表面結(jié)構(gòu)為1×1，是晶體學(xué)上高度規(guī)定的表面。另外，在這些評(píng)價(jià)中，沒(méi)有進(jìn)行加熱處理。CARE加工后的4H―SiC（0001）表面，寬度不同的平臺(tái)通過(guò)1雙層高度的步驟反復(fù)進(jìn)行。
在用于SiC器件的基板中，由于需要在晶圓上形成良好的外延生長(zhǎng)薄膜，因此使用了相對(duì)于4H―SiC（0001）表面使晶軸傾斜數(shù)度（8°或4°）的基板。到目前為止，已經(jīng)敘述了相對(duì)于c軸沒(méi)有傾斜角的正切表面的結(jié)果，即使是具有偏角的晶圓，通過(guò)CARE加工也可以產(chǎn)生同等的表面9）12）。另外，由于加工速度與步進(jìn)密度成比例，因此在8°偏角基板的情況下，最大可以獲得約0.5 mm/h的加工速度。此時(shí)，由于高速化導(dǎo)致的加工表面的劣化，在整個(gè)晶圓上都沒(méi)有觀察到。
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GAN表面的加工
GaN有望作為下一代半導(dǎo)體襯底材料，特別是用于發(fā)光器件。然而，與SiC一樣，它是一種具有高熱和化學(xué)穩(wěn)定性的難加工材料。在此，鉑用作催化劑，純水用作加工溶液。加工系統(tǒng)的形態(tài)與SiC的情況相同，加工溶液的CARE加工時(shí)的反應(yīng)過(guò)程，以第一原理分子動(dòng)力學(xué)模擬為基礎(chǔ)正在研究中，現(xiàn)在，我們認(rèn)為通過(guò)背面鍵合的加水分解進(jìn)行蝕刻。
對(duì)通過(guò)CARE平坦化的自立GaN（0001）晶圓（n型，1～3×1018cm-3）的觀察結(jié)果進(jìn)行了敘述。圖7為加工后表面的相移干涉顯微鏡像以及AFM像。插入左上方的圖為， 這是加工前的觀察結(jié)果。此時(shí)的加工量約為30 nm，加工速度約為10 nm/h.前加工面是存在多個(gè)劃痕的金剛石研磨表面，可以觀察到較大的粗糙度。與此相對(duì)，加工后劃痕被完全除去，粗糙度從0.1 nm改善到0.2 nm rms.另外，從加工前后的AFM像可以確認(rèn)無(wú)序的表面構(gòu)造向階梯-平臺(tái)狀的秩序構(gòu)造變化。圖8是階梯平臺(tái)構(gòu)造的擴(kuò)大圖，可以看出階梯高度為1雙層。本構(gòu)造與SiC的情況相同，可以確認(rèn)在晶圓全面觀察到。
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圖8 ?CARE處理后GaN（0001）表面的AFM圖像
總結(jié)
本方法提出了具有基準(zhǔn)面的化學(xué)加工法--催化劑表面基準(zhǔn)蝕刻法。當(dāng)將本加工法應(yīng)用于SiC和GaN基板時(shí)，確認(rèn)了從凸部選擇性地進(jìn)行加工，有效的平坦化是可能的。在任何情況下，加工表面是在結(jié)晶學(xué)上被高度規(guī)定的表面，具有階梯―平臺(tái)結(jié)構(gòu)。CARE有各種各樣的形態(tài)，希望對(duì)本加工法的有用性進(jìn)行廣泛的探討。