一種碳化硅晶片腐蝕的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種碳化硅晶片的腐蝕方法和裝置，其最主要的是提供了一種全新的混合腐蝕劑和全新的腐蝕裝置，其中所采用的混合腐蝕劑由KOH、NaOH與氟鹽三種組分構(gòu)成，而所采用的腐蝕裝置則通過全新的晶片承載裝置實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對多片晶片進(jìn)行腐蝕操作；綜合上述的改進(jìn)，本發(fā)明的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了對多片晶片的同時(shí)腐蝕，提高能量和腐蝕劑利用率，實(shí)現(xiàn)了對腐蝕時(shí)間和腐蝕溫度的更精確控制，改善了整體裝置的安全性，提高了實(shí)際腐蝕速率。
【專利說明】一種碳化硅晶片腐蝕的方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新材料晶體加工領(lǐng)域，具體涉及一種碳化硅晶片的腐蝕方法和裝置?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]碳化娃(SiC)被稱為繼娃(Si)和(GaAs)之后的第三代半導(dǎo)體材料之一。由于具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導(dǎo)率、抗輻射、耐腐蝕等性能使其在高溫、大功率、高頻率電子器件領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，成為“極端電子學(xué)”領(lǐng)域的基礎(chǔ)材料。能夠廣泛應(yīng)用于航空航天、核動(dòng)力、礦物開采、化學(xué)工程和車船制造等領(lǐng)域。
[0003]碳化硅材料雖然具有廣闊的發(fā)展前景，也引起了廣泛地研究興趣。但進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用受到晶體材料中高密度的缺陷的限制。缺陷是晶體在生長過程中由于熱應(yīng)力或雜質(zhì)等因素導(dǎo)致的與理想結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。影響半導(dǎo)體性能的晶體缺陷主要包括微管、位錯(cuò)和小角晶界。這三類缺陷對晶體材料的各項(xiàng)特性有著嚴(yán)重的影響，極大地制約了所制備電子器件的性能。實(shí)現(xiàn)對碳化硅晶體中缺陷的準(zhǔn)確檢測，是降低缺陷密度、提升材料性能的前提，也是高性能器件制備的必要條件。對于推動(dòng)碳化硅生長工藝和電子器件制備工藝的發(fā)展有著重要的意義。
[0004]濕法腐蝕是研究碳化硅晶體缺陷的主要方法，由于其成本低、實(shí)驗(yàn)步驟簡單和對樣品形狀無要求而得到了廣泛地應(yīng)用。但由于碳化硅晶體化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，幾乎不受常規(guī)腐蝕劑的侵蝕。目前以熔融堿或鹽作為腐蝕劑是最常用的方法，其中KOH及KOH與NaOH混合物的應(yīng)用最為廣泛，但存在腐蝕能力差，腐蝕速率較慢的缺陷。當(dāng)前所采用的裝置同樣存在許多不足，比如每次只能對一枚晶片進(jìn)行腐蝕，對能源和腐蝕劑的利用率低，腐蝕過程中的安全防護(hù)不足，腐蝕結(jié)束時(shí)不能及時(shí)去除樣品表面的腐蝕劑等。
[0005]因此，為了實(shí)現(xiàn)對碳化硅晶片的高效、安全和快速的腐蝕，有必要建立一種克服了之前缺陷的腐蝕方法和裝置，實(shí)現(xiàn)對多枚晶片的同時(shí)腐蝕，腐蝕速率高且安全性好。`
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足和空白，本發(fā)明的發(fā)明人提供了一種碳化硅晶片的腐蝕方法和裝置，其最主要的是提供了一種全新的混合腐蝕劑和全新的腐蝕裝置，其中所采用的混合腐蝕劑由KOH、NaOH與氟鹽三種組分構(gòu)成，而所采用的腐蝕裝置則通過全新的晶片承載裝置實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對多片晶片進(jìn)行腐蝕操作；綜合上述的改進(jìn)，本發(fā)明的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了對多片晶片的同時(shí)腐蝕，提高能量和腐蝕劑利用率，實(shí)現(xiàn)了對腐蝕時(shí)間和腐蝕溫度的更精確控制，改善了整體裝置的安全性，提高了實(shí)際腐蝕速率。
[0007]本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:
[0008]發(fā)明人首先提供了一種全新的腐蝕劑，其由KOH、NaOH與氟鹽三種組分構(gòu)成，
[0009]其中所述氟鹽包括NaF、KF、CaF2中的一種或幾種；
[0010]所述氟鹽在腐蝕劑中的摩爾分?jǐn)?shù)為I~50% ;同時(shí)所述腐蝕劑中K0H、Na0H的摩爾比為1:1;[0011 ] 與現(xiàn)有技術(shù)中采用的腐蝕劑相比，本發(fā)明的腐蝕劑配方中主要不同在于氟鹽的加入；氟鹽與KOH和NaOH —起混合，一同被融化形成腐蝕劑熔體，以熔體的形式發(fā)揮作用；
[0012]由于在腐蝕劑對碳化硅晶片的腐蝕過程中會(huì)在晶片表面生成SiO2, SiO2在現(xiàn)有的腐蝕劑中的溶解和擴(kuò)散速率較慢，從而限制了腐蝕劑與碳化硅的接觸，降低腐蝕反應(yīng)的速率。所加入的氟鹽在熔融態(tài)的腐蝕劑中以離子狀態(tài)(F-)存在，F(xiàn)-的存在能夠在很大程度上提高SiO2的溶解和擴(kuò)散速率，從而改善腐蝕劑與碳化硅的接觸，提高腐蝕反應(yīng)速率；且控制上述的氟鹽用量可以很好的與KOH和NaOH配合，起到最佳的腐蝕效果。
[0013]具體使用該腐蝕劑時(shí)，可以根據(jù)對腐蝕速率的不同要求來調(diào)整腐蝕劑中各組分的比值，但是調(diào)整的范圍均在上述的氟鹽種類和含量范圍內(nèi)。
[0014]利用上述的腐蝕劑，發(fā)明人提供了與之對應(yīng)的碳化硅晶片的腐蝕方法，具體步驟如下:
[0015]1.將配比好的腐蝕劑放入坩堝，腐蝕劑的量保證在熔融后能夠浸沒全部樣品即可，同時(shí)將熱電偶放入保護(hù)裝置中，并將其放入坩堝內(nèi)，且底部浸入腐蝕劑內(nèi)；
[0016]2.將坩堝放入電阻爐中溫場均勻區(qū)域，設(shè)置電阻爐溫度為200~600°C ;關(guān)閉爐門，開始升溫，達(dá)到預(yù)定溫度后，繼續(xù)保溫0.5~4h以使腐蝕劑徹底熔融并混合均勻；
[0017]3.待保溫結(jié)束后，將待腐蝕晶片裝入承載裝置中，并將其放入坩堝中，確保腐蝕劑熔體浸沒全部晶片，關(guān)閉爐門開始腐蝕，腐蝕時(shí)間I~60min ；
[0018]4.腐蝕完成后將晶片連同承載裝置取出，冷卻清洗，即可進(jìn)行檢測，驗(yàn)證腐蝕的效果O
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，`現(xiàn)有技術(shù)中一般采用的是摩爾比為1:1的KOH+NaOH混堿熔體作為腐蝕劑,其腐蝕溫度為500°C，腐蝕時(shí)間一般為15~30min甚至更長；而采用本發(fā)明中所述的腐蝕劑和腐蝕方法，可將腐蝕溫度降低到400°C左右一般選擇300-500°C即可，而腐蝕時(shí)間只需5~lOmin，即可達(dá)到更優(yōu)秀的腐蝕效果，因此較之現(xiàn)有技術(shù)有了很大的進(jìn)步；
[0020]上述腐蝕劑和腐蝕方法針對碳化硅晶片的腐蝕，一般控制腐蝕劑中的氟鹽在腐蝕劑中的摩爾分?jǐn)?shù)為10%即可達(dá)到最佳效果，過小的用量會(huì)導(dǎo)致腐蝕速率下降，而過大的用量則同樣會(huì)影響腐蝕效果，故此發(fā)明人在可選擇的氟鹽在腐蝕劑中的摩爾分?jǐn)?shù)為I~50%中優(yōu)選采用摩爾分?jǐn)?shù)為10%;晶片尺寸可以為2inch、3inch、4inch、5inch、6inch。
[0021]除上述兩點(diǎn)外，本發(fā)明的第三點(diǎn)是提供了一種全新的腐蝕裝置以配合上述的工藝，該裝置的具體結(jié)構(gòu)如下:
[0022]包括帶有保護(hù)蓋的腐蝕坩堝和放置在坩堝內(nèi)的晶片承載裝置，所述的腐蝕坩堝上部帶有保護(hù)蓋，所述保護(hù)蓋與坩堝頂端開口對應(yīng)，且保護(hù)蓋上下兩側(cè)均設(shè)置有掛鉤，所述的晶片承載裝置為采用鎳金屬絲編織的網(wǎng)桶，桶內(nèi)設(shè)置有傾斜向下的多層網(wǎng)格，所述的網(wǎng)格也采用鎳金屬編織而成；所述的網(wǎng)桶頂部通過鎳制的鎖鏈連接有掛鉤；
[0023]采用這種結(jié)構(gòu)的裝置，坩堝內(nèi)可放入腐蝕劑，一般腐蝕劑的量以保證在熔融后能夠浸沒全部晶片樣品即可；所采用的保護(hù)蓋也采用鎳材料制成，使用時(shí)可將保護(hù)蓋下側(cè)的掛鉤與晶片承載裝置上的掛鉤連接，這樣就將晶片承載裝置掛在了保護(hù)蓋下方，只需要利用保護(hù)蓋上側(cè)的掛鉤將其整個(gè)提起放入坩堝即可，這樣就可以避免放入晶片時(shí)熔融腐蝕劑的飛濺造成的危險(xiǎn)，同時(shí)利用保護(hù)蓋上側(cè)的掛鉤也可以在腐蝕結(jié)束后方便的將晶片承載裝置取出。[0024]所述晶片承載裝置的網(wǎng)格層數(shù)為2~12層，網(wǎng)格的直徑為170_200mm，網(wǎng)格之間間隔1cm，之所以限定上述的參數(shù)，這樣是由于該承載裝置需要放置在腐蝕用的坩堝中，尺寸要與坩堝的規(guī)格相適應(yīng)，同時(shí)也不能太小，不然難以滿足一次性腐蝕多片晶片的目的，如6inch樣品直徑就達(dá)到150mm，還要考慮為晶片放置和取出留出操作空間，故選擇上述區(qū)間；網(wǎng)格間的間隔距離不能太小也不能太大，不然也無法穩(wěn)定放置一片晶片，故而優(yōu)選采用Icm0
[0025]為了避免晶片承載裝置的掛鉤上附著腐蝕劑，一般控制所述的掛鉤高于腐蝕劑的液面；
[0026]除此之外，發(fā)明人進(jìn)一步限定每層網(wǎng)格呈O~45度傾斜，這樣當(dāng)晶片放入腐蝕劑中時(shí)可以避免表面張力引起的浸沒不及時(shí)導(dǎo)致不均勻腐蝕和取出時(shí)腐蝕劑熔體脫離不及時(shí)造成的過腐蝕問題，所述的網(wǎng)格可以根據(jù)網(wǎng)桶的規(guī)格選取臥式或立式的放置方式。
[0027]所述的坩堝內(nèi)還設(shè)置有鎳制熱電偶保護(hù)裝置，可將熱電偶套裝在保護(hù)裝置中直接送入腐蝕劑熔體中，這樣就可以實(shí)現(xiàn)熱電偶對腐蝕劑熔體溫度的直接測量而保護(hù)熱電偶不被腐蝕劑熔體腐蝕，從而實(shí)現(xiàn)對腐蝕過程中溫度的精確測量，更好的控制腐蝕過程。
[0028]綜上所述，本發(fā)明通過全新的晶片承載裝置實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對多片晶片進(jìn)行腐蝕操作；綜合上述的改進(jìn)， 本發(fā)明的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了對多片晶片的同時(shí)腐蝕，提高能量和腐蝕劑利用率，實(shí)現(xiàn)了對腐蝕時(shí)間和腐蝕溫度的更精確控制，改善了整體裝置的安全性，提高了實(shí)際腐蝕速率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明所述碳化硅晶片腐蝕裝置中坩堝裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明所述碳化硅晶片腐蝕裝置中坩堝裝置保護(hù)蓋的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖3為本發(fā)明所述碳化硅晶片腐蝕裝置中晶片承載裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖4為將本發(fā)明所述碳化硅晶片腐蝕裝置置入井式電阻爐的狀態(tài)參考圖；
[0033]圖中I為腐蝕坩堝，2為熱電偶，3為熱電偶保護(hù)裝置，4為保護(hù)蓋，5、6、7均為掛鉤,8為鎖鏈,9為網(wǎng)桶，10為網(wǎng)格；
[0034]圖5為實(shí)施例5所述腐蝕方法與現(xiàn)有腐蝕方法結(jié)果對比灰度圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面通過具體的實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解為，這些實(shí)施例僅僅是用于更詳細(xì)具體地說明之用，而不應(yīng)理解為用于以任何形式限制本發(fā)明。
[0036]實(shí)施例1
[0037]一種腐蝕劑，其由KOH、NaOH與氟鹽三種組分構(gòu)成，
[0038]其中所述氟鹽選用KF ；
[0039]所述KF在腐蝕劑中的摩爾分?jǐn)?shù)為1% ;同時(shí)所述腐蝕劑中KOH、NaOH的摩爾比為1:1。
[0040]實(shí)施例2
[0041]一種腐蝕劑，其由KOH、NaOH與氟鹽三種組分構(gòu)成，
[0042]其中所述氟鹽選用KF和NaF的摩爾比為1:1混合物；[0043]所述KF和NaF的混合物在腐蝕劑中的摩爾分?jǐn)?shù)為50% ；同時(shí)所述腐蝕劑中Κ0Η、NaOH的摩爾比為1:1。
[0044]實(shí)施例3
[0045]一種腐蝕劑，其由KOH、NaOH與氟鹽三種組分構(gòu)成，
[0046]其中所述氟鹽選用NaF ；
[0047]所述NaF在腐蝕劑中的摩爾分?jǐn)?shù)為10% ;同時(shí)所述腐蝕劑中K0H、Na0H的摩爾比為1:1。
[0048]實(shí)施例4
[0049]一種腐蝕劑，其由KOH、NaOH與氟鹽三種組分構(gòu)成，
[0050]其中所述氟鹽為KF、NaF, CaF2的摩爾比為3:4:3混合物；
[0051]所述KF、NaF, CaF2的混合物在腐蝕劑中的摩爾分?jǐn)?shù)為20% ;同時(shí)所述腐蝕劑中KOH, NaOH的摩爾比為1:1。
[0052]實(shí)施例5
[0053]一種晶體腐蝕方法，具體步驟如下:
[0054]1.將按照實(shí)施例3中配比好的腐蝕劑放入坩堝，腐蝕劑的量保證在熔融后能夠浸沒全部樣品即可，同時(shí)將熱電偶放入保護(hù)裝置中，并將其放入坩堝內(nèi)，且底部浸入腐蝕劑內(nèi)；`
[0055]2.將坩堝放入電阻爐中溫場均勻區(qū)域，設(shè)置電阻爐溫度為200~600°C ;關(guān)閉爐門，開始升溫，達(dá)到預(yù)定溫度后，繼續(xù)保溫0.5~4h以使腐蝕劑徹底熔融并混合均勻；
[0056]3.待保溫結(jié)束后，將3塊待腐蝕晶片3inch的碳化硅晶片裝入承載裝置中，并將其放入坩堝中，確保腐蝕劑熔體浸沒全部晶片，關(guān)閉爐門開始腐蝕，在450°C下腐蝕5~IOmin ；
[0057]4.腐蝕完成后將晶片連同承載裝置取出，冷卻清洗，即可進(jìn)行檢測，驗(yàn)證腐蝕的效果O
[0058]同時(shí)發(fā)明人利用現(xiàn)有技術(shù)對3inch的碳化硅晶片進(jìn)行腐蝕，所采用現(xiàn)行腐蝕方法為，腐蝕劑為摩爾比1:1的KOH+NaOH，腐蝕溫度為500°C，腐蝕時(shí)間為15min，每次腐蝕一塊
曰Hr曰曰/T ；
[0059]兩種腐蝕方法的結(jié)果在500 X顯微倍率下形貌:本實(shí)施例5腐蝕的結(jié)果如圖5a中所示(三塊晶片中最頂層一塊)；現(xiàn)行腐蝕方法其結(jié)果如圖5b所示；
[0060]可見采用本發(fā)明腐蝕所得形貌中腐蝕坑尺寸更大，各種缺陷腐蝕坑清晰，易于分辨，具有明顯的優(yōu)勢。且本發(fā)明的方法一次性腐蝕了三塊晶片，而現(xiàn)有技術(shù)只能腐蝕一塊晶片，本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)了對多片晶片的同時(shí)腐蝕，提高能量和腐蝕劑利用率，實(shí)現(xiàn)了對腐蝕時(shí)間和腐蝕溫度的更精確控制，同時(shí)降低了腐蝕溫度，縮短了腐蝕時(shí)間。
[0061]實(shí)施例6
[0062]實(shí)施例5中所采用的碳化硅晶片腐蝕裝置，包括帶有保護(hù)蓋4的腐蝕坩堝I和放置在坩堝I內(nèi)的晶片承載裝置，所述的腐蝕坩堝I上部帶有保護(hù)蓋4，所述保護(hù)蓋4與坩堝I頂端開口對應(yīng)，且保護(hù)蓋上下兩側(cè)均設(shè)置有掛鉤5和6 ;
[0063]所述的晶片承載裝置包括采用鎳金屬絲編織的網(wǎng)桶9，網(wǎng)桶9內(nèi)設(shè)置有傾斜向下的多層網(wǎng)格10，所述的網(wǎng)格10也采用鎳金屬編織而成；所述的網(wǎng)桶9頂部通過鎳制的鎖鏈8連接有掛鉤7 ；[0064]所述晶片承載裝置的網(wǎng)格層數(shù)為2~12層，網(wǎng)格的直徑為170_200mm，網(wǎng)格之間間隔Icm ;每層網(wǎng)格呈O~45度傾斜；
[0065]所述坩堝I內(nèi)還設(shè)置有鎳制熱電偶保護(hù)裝置3，其內(nèi)設(shè)置有熱電偶2。
【權(quán)利要求】
1.一種腐蝕劑，其特征在于:所述腐蝕劑由KOH、NaOH與氟鹽三種組分構(gòu)成， 其中所述氟鹽包括NaF、KF、CaF2中的一種或幾種； 所述氟鹽在腐蝕劑中的摩爾分?jǐn)?shù)為1-50% ;同時(shí)所述腐蝕劑中KOH、NaOH的摩爾比為1:1。
2.一種碳化硅晶片腐蝕的方法，其特征在于:具體步驟如下: (0.將配比好的腐蝕劑放入坩堝，腐蝕劑的量保證在熔融后能夠浸沒全部樣品即可，同時(shí)將熱電偶放入保護(hù)裝置中，并將其放入坩堝內(nèi)，且底部浸入腐蝕劑內(nèi)； (2).將坩堝放入電阻爐中溫場均勻區(qū)域，設(shè)置電阻爐溫度為200~600°C。關(guān)閉爐門，開始升溫，達(dá)到預(yù)定溫度后，繼續(xù)保溫0.5~4h以使腐蝕劑徹底熔融并混合均勻； (3).待保溫結(jié)束后，將待腐蝕晶片裝入承載裝置中，并將其放入坩堝中，確保腐蝕劑熔體浸沒全部晶片，關(guān)閉爐門開始腐蝕，腐蝕時(shí)間I~60min ； (4).腐蝕完成后將晶片連同承載裝置取出，冷卻清洗，即可進(jìn)行檢測，驗(yàn)證腐蝕的效果O
3.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的腐蝕方法，其特征在于:步驟(3)中的腐蝕溫度為300-500。。。
4.一種碳化硅晶片腐蝕的裝置，其特征在于:包括帶有保護(hù)蓋(4)的腐蝕坩堝(I)和放置在坩堝(I)內(nèi) 的晶片承載裝置，所述的腐蝕坩堝(I)上部帶有保護(hù)蓋(4)，所述保護(hù)蓋(4)與坩堝(I)頂端開口對應(yīng)，且保護(hù)蓋上下兩側(cè)均設(shè)置有掛鉤(5)和(6); 所述的晶片承載裝置包括采用鎳金屬絲編織的網(wǎng)桶(9)，網(wǎng)桶(9)內(nèi)設(shè)置有傾斜向下的多層鎳金屬絲編織網(wǎng)格(10);所述的網(wǎng)桶(9)頂部通過鎳制的鎖鏈(8)連接有掛鉤(7)；所述坩堝(I)內(nèi)還設(shè)置有鎳制熱電偶保護(hù)裝置(3 )，其內(nèi)設(shè)置有熱電偶(2 )。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于:所述晶片承載裝置的網(wǎng)格層數(shù)為2~12層，網(wǎng)格的直徑為170-200mm，網(wǎng)格之間間隔1cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于:每層網(wǎng)格呈O~45度傾斜。
【文檔編號】H01L21/02GK103866398SQ201410116764
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】高玉強(qiáng), 宗艷民, 寧敏, 劉云青 申請人:山東天岳晶體材料有限公司