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引言
? ? ? 人們對用于器件應(yīng)用的碳化硅(SiC)重新產(chǎn)生了濃厚的興趣。它具有良好的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)，可以作為第三族氮化物外延生長的襯底。在許多應(yīng)用領(lǐng)域，例如與航空航天、汽車和石油工業(yè)相關(guān)的領(lǐng)域，需要能夠在高功率水平、高溫、高頻和惡劣環(huán)境下工作的電子設(shè)備。硅(Si)不能滿足這些要求；碳化硅可以。此外，由于其典型的化學(xué)和機(jī)械性能，碳化硅與硅結(jié)合，在傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)(微機(jī)電系統(tǒng))中得到更廣泛的應(yīng)用。
? ? ? 對于陽極蝕刻，避免形成鈍化的表面氧化物二氧化硅至關(guān)重要，二氧化硅可以形成二氧化硅，并且在HF水溶液中是可溶的。已知二氧化硅也可溶于堿性溶液；硅微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的許多方面都利用了這一特性。令人驚訝的是，在高酸堿度下對碳化硅的電化學(xué)腐蝕很少受到關(guān)注。本文表明這種方法既可用于碳化硅的均勻刻蝕，也可用于碳化硅的鈍化。還使用了帶有反電極但沒有電壓的n型碳化硅的光陽極蝕刻。我們考慮與該方法的兩種可能用途相關(guān)的結(jié)果:缺陷揭示和層選擇性蝕刻。
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實(shí)驗(yàn)
? ? ? n型晶片軸向取向，摻氮，電阻率在0.01和0.07厘米之間變化。p型晶片取向?yàn)?°離軸，摻鋁，電阻率為3.86厘米。本研究中使用的所有樣品都具有硅極面。對于電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，使用Si3N4掩模在樣品上限定圓形開口。開口的直徑是2毫米。通過在晶片的背面蒸發(fā)300納米厚的鋁/鉭/金層，與p型碳化硅形成歐姆接觸。金屬化晶片隨后在850℃退火10分鐘。使用300納米鈦/金層接觸n型晶片，隨后在1000℃下進(jìn)行1秒退火步驟。樣品安裝成旋轉(zhuǎn)圓盤電極(RDE)?；瘜W(xué)蝕刻在含有10%氧化鎂的氫氧化鉀/氫氧化鈉共晶中進(jìn)行，溫度范圍為520–540℃，持續(xù)5–10分鐘。通過用表面輪廓儀測量蝕刻深度來確定蝕刻速率，并且使用差分干涉對比光學(xué)顯微鏡、原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM Jeol 6330)來檢查蝕刻后的表面形態(tài)。
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結(jié)果和討論
? ? ? ?p型SiC的電化學(xué)：圖1顯示了p型4H-碳化硅電極在20.5℃不同氫氧化鉀濃度下的電流密度-電勢(j-U)圖。對于所有曲線，觀察到典型的主動/被動轉(zhuǎn)變。在較低的電位下，電流隨著電位的增加而增加。這與表面空穴濃度對空間電荷層中能帶彎曲的指數(shù)依賴性有關(guān)。
? ? ? 在穩(wěn)態(tài)條件下，被動范圍內(nèi)的氧化物形成速率等于氧化物的化學(xué)溶解速率。由于表面上的氧化物，從正電勢到負(fù)電勢的返回掃描中的電流比正向掃描中的電流低得多。當(dāng)表面氧化物開始被去除時，電流有所恢復(fù)。完全去除氧化物后，電流完全恢復(fù)。正如預(yù)期的那樣，回收時間隨著氫氧化鉀濃度的增加而減少:從0.1M氫氧化鉀溶液中的4分鐘減少到1.0M氫氧化鉀溶液中的1.5分鐘。峰值(jp)和無源范圍內(nèi)的電流密度都隨著OH含量的增加而增加，并且在所有濃度下都觀察到鈍化。觀察到的峰值電流密度對應(yīng)于0.1–1.0m氫氧化鉀溶液濃度范圍內(nèi)105至523nm min-1的蝕刻速率。
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圖1?p型4H-碳化硅在20.5℃不同氫氧化鉀濃度下的電流-電位曲線
? ? ? 溫度對電流-電位特性的影響如圖2(a)所示。實(shí)驗(yàn)在0.1M氫氧化鉀溶液中進(jìn)行。峰值電流密度強(qiáng)烈依賴于溫度；它隨著溫度的升高呈指數(shù)增長。在圖2(a)的右軸上描繪的蝕刻速率在溫度升高15.3℃時增加了2.55倍。
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圖2?溫度對p型4H-碳化硅在0.1M氫氧化鉀溶液中j–U特性的影響
n型SiC的光電化學(xué)
? ? ? 從圖3的結(jié)果可以清楚地看出兩種狀態(tài):在低光子通量下，極限光電流直接取決于光強(qiáng)；在最高光子通量下，發(fā)生完全鈍化。圖4所示的結(jié)果表明，這兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變可以通過實(shí)驗(yàn)條件來調(diào)節(jié)。在23℃的低濃度范圍(10毫米)內(nèi)，測量了作為各種羥基濃度的光子通量的函數(shù)的極限光電流。使用了非聚焦光源。從圖4可以清楚地看出，對于給定的OH濃度，光電流隨著光強(qiáng)的增加而增加，然后趨于平穩(wěn)。較高光子通量下的恒定光電流取決于OH，并隨著電極轉(zhuǎn)速和濃度的增加而增加。
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圖3??n型6H-碳化硅在22.5℃0.1M氫氧化鉀溶液中不同光強(qiáng)下的電流密度-電勢圖
結(jié)論
? ? ? 對于p型碳化硅在暗條件下和在光照條件下的n型碳化硅，均能獲得較高的陽極蝕刻率。碳化硅的溶解速率與氫氧化鉀濃度有密切的關(guān)系和溫度關(guān)系。在高陽極電位下，可以觀察到表面鈍化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳化硅在氫氧化鉀溶液中的溶解受到動力學(xué)控制。結(jié)果表明，n型碳化硅在氫氧化鉀溶液中的光刻技術(shù)是揭示缺陷的有力工具。此外，p型和n型碳化硅和Si在氫氧化鉀溶液中的電化學(xué)性質(zhì)原則上應(yīng)該允許層選擇性蝕刻。