摘要：本文采用用感应耦合等离子体蚀刻设备，借助六氯化硫和氮气对外延生长在蓝宝石衬底上的氧化镓薄膜进行了蚀刻。通过改变两种二氧化碳输入流量比，研究其氧化镓蚀刻速度和蚀刻后氧化镓薄膜的结晶、表面形貌和光学特点的影响。发觉在本实验所选条件下，当六氯化硫和氢气流量比为15:5时，氧化镓薄膜的蚀刻速度最高，蚀刻后的氧化镓薄膜具有更低的表面粗糙度和更高的紫外光透射率。上述研究结果，对于扩充氧化镓元件的应用具有挺好的10推动作用。
关键词：氧化镓；湿法蚀刻；感应耦合等离子体涂覆；蚀刻速度
0序言
氧化镓（Ga2O3）是一种III-VI族直接宽带隙半导体材料，有α-Ga2O3、β-Ga2O3、γ-Ga2O3，δ-Ga2O3，ε-Ga2O3五种同分异构体。以单斜晶系的β-Ga2O3最为稳定，而其它四种结构的Ga2O3材料在一定湿度下均可向β相Ga2O3转变[1]。Ga2O3的禁带长度大（在4.2-4.9eV之间），击穿场强高达8MV/cm离子刻蚀，优值为3444，这种参数远超过4H-SiC和GaN，显示了它在大功率元件方面的应用潜力，早已有基于Ga2O3的肖特基晶闸管，等见诸报导[2][3]。Ga2O3的浊度率和二氧化碳在低温下具有相关性，但是热稳定性和物理稳定性强，可作为二氧化碳侦测器[4]。Ga2O3透明度高，折射率为1.97，比大多数Ⅲ-Ⅴ族半导体材料低，在紫外透明导电薄膜（TCO），抗反射镀层方面均有应用[5]。
Ga2O3作为电介质层时，须要蚀刻漏出栅源区进行参杂，作为传感时须要涂覆以使其侦测面积减小，Ga2O3基半导体元件同面电极制做时也须要蚀刻。作为半导体元件制备中的核心工艺，蚀刻技术对Ga2O3的应用的重要性不言而喻。但是据我们所知，目前对于Ga2O3材料蚀刻的研究主要集中于干法蚀刻，例如等人研究了H3PO4，H2SO4对Ga2O3的蚀刻[6]，等人研究了HF，NaOH对Ga2O3的蚀刻[7]。但是干法蚀刻半导体材料在半导体元件制备上有其固有的缺点，蚀刻均匀性差，大面积加工时浪费材料；元件规格步入μm级时，干法蚀刻的毛细现象和各向同性无法保证蚀刻精度和台面结构的崎岖[8]。而湿法涂覆以其大范围均匀性，蚀刻选择性高，蚀刻各向异性好，成本低，控制简便等优点，早以成为半导体元件制备的主流工艺。
常见的湿法蚀刻设备包括反应离子蚀刻（RIE），感应耦合等离子体蚀刻（ICP），电子回旋共振等离子体涂覆（ECR）等。RIE蚀刻等离子体含量低，不能控制衬底直流展宽而在提升蚀刻速度和减少表面损伤之间存在矛盾。ECR存在设备复杂，稳定性差等问题。ICP设备结构简单，同时具有两个射频电源，等离子体密度高，蚀刻均匀性好，表面损伤低等优点，因而本实验选择ICP蚀刻来研究其对Ga2O3材料蚀刻后基本特点的影响[9]。
1实验
首先采用MOCVD方式在2英寸蓝宝石上外延生长长度约为1μm的Ga2O3薄膜，将其切割成若干个规格为1×1cm2的样品备用。蚀刻前我们借助F20-膜厚仪对每位样品的长度进行了细致检测，即在样品上选定五个不同的检测点进行测试后求平均值；蚀刻后样品的长度也采用此方式进行确定，并借助蚀刻前后的长度差估算平均蚀刻速度。
其次借助创世威纳公司制造的型感应耦合等离子体设备对Ga2O3薄膜进行湿法蚀刻。实验中我们选择六氯化硫（SF6）和氢气（Ar）为蚀刻二氧化碳，固定通入腔室外总蚀刻二氧化碳的流量为，在SF6与Ar流量比为0:20、5:15、10:10、15:5和20:0的条件下，蚀刻出多组样品。射频功率分别为600W和150W，腔室气压为1.5Pa，蚀刻时间为10min。最后借助X射线衍射仪（XRD）、UV-3600型紫外-可见-红外双光束分光光度计和原子力显微镜（AFM），对蚀刻前后的氧化镓样品的结晶特点、光学特点和表面形貌进行了测试表征。
2结果与讨论
2.1SF6与Ar流量比对氧化镓蚀刻速度的影响
图1氧化镓蚀刻速度与蚀刻二氧化碳流量比的关系曲线，插图为蚀刻原理示意图
图1所示为在不同SF6与Ar流量比条件下测得的氧化镓薄膜蚀刻速度变化曲线。从图中可以看出，单独借助Ar二氧化碳对氧化镓薄膜进行渗氮时，其蚀刻速度非常平缓离子刻蚀，在所选蚀刻条件下几乎不能对氧化镓薄膜形成显著的蚀刻作用。这主要是由于氧化镓中Ga-O键能较高（363.6KJ/mol），Ar离子的轰击能量还不足以使其破裂，造成蚀刻疗效并不显著。当在蚀刻二氧化碳中加入SF6后，氧化镓薄膜的蚀刻速度获得急剧增强，所选三组流量比条件下测得的蚀刻速度均介于30nm/min至35nm/min范围之内。同时我们还可发觉，氧化镓薄膜的蚀刻速度受SF6与Ar流量比变化的影响并不明显。而对于单独使用SF6二氧化碳的情况，氧化镓薄膜的蚀刻速度略有升高。
插图是借助SF6与Ar等离子体进行氧化镓薄膜ICP蚀刻的原理图，蚀刻过程可分为以
下四个步骤。首先是FX离子吸附在氧化镓薄膜表面，其次是吸附的FX离子与氧化镓薄膜发生反应生成GaFX和其它气态产物，再度是S与Ar离子轰击薄膜表面的GaFX产物，最后是键能较低的GaFX从薄膜表面脱附下来。由此可见，氧化镓薄膜的蚀刻是化学-物理双重作用的结果。这就挺好的解释了单独使用Ar二氧化碳无法蚀刻氧化镓薄膜，而单独使用SF6才能蚀刻氧化镓薄膜虽能蚀刻但其蚀刻速度有所增长的实验现象。
2.2SF6与Ar流量比对蚀刻后氧化镓结晶特点和表面粗糙度的影响
固定二氧化碳总流量为，Ar与SF6流量比为10:10，下射频功率为150W，腔室气压为1.5Pa，改变上射频功率，得到β-Ga2O3的蚀刻速度如下：
图2蚀刻前后氧化镓薄膜的XRD测试结
图2所示为在不同SF6与Ar流量比条件下蚀刻后氧化镓薄膜的XRD测试曲线。从图中可以见到，蚀刻前后的样品均出现了四个显著的衍射峰，但是衍射峰值位置基本相同。其中坐落41.7°的衍射峰对应于蓝宝石衬底的（0006）面衍射，而坐落坐落18.94°、38.42°和59.08°的衍射峰，对应于β相Ga2O3的（2-01），（4-02）和（6-03）面的衍射[10]。从XRD测试结果中可以看出，蚀刻前后氧化镓薄膜的晶体结构并没有发生显著的变化。
图3蚀刻前后氧化镓薄膜的表面粗糙度随蚀刻二氧化碳比列变化曲线
图3为蚀刻前后氧化镓薄膜表面粗糙度（RMS）的变化曲线。从图中可以见到，相较于蚀刻前的样品，五组蚀刻后样品的RMS值均减少，并在SF6:Ar=15:5的比列下达到最低
值1.97nm。对于蚀刻后氧化镓薄膜RMS的变化趋势，可从上述蚀刻模型中获得解释。当只用Ar二氧化碳时，即使不能对氧化镓薄膜形成显著的蚀刻疗效，但可起到“清洁”作用，即可将附着在氧化镓薄膜表面的结合能力较弱的物质去除掉，进而降低样品的RMS值。对于SF6:Ar为5:15和10:10条件下蚀刻的样品，因为SF6二氧化碳含量还不够大，导致氧化镓表面单位面积上的Fx离子的吸附和物理反应情况略有不同，致使蚀刻均匀性遭到影响，导致RMS值小幅下降。当继续减小SF6在蚀刻二氧化碳中的比列（达15:5时），氧化镓薄膜表面Fx离子吸附与反应的均匀性获得提升，反应产物在S与Ar离子的轰击下可从样品表面及时脱附出去，进而促使蚀刻后氧化镓薄膜的RMS值显著降低。若仅用SF6作为蚀刻二氧化碳，因为缺乏了Ar离子的轰击，样品表面将积累无法通过化学轰击过程而及时脱附出去的GaFX，造成了氧化镓薄膜的RMS值显著下降。
2.3SF6与Ar流量比对蚀刻后氧化镓薄膜光学特点的影响
图4不同二氧化碳流量比条件下蚀刻后氧化镓薄膜的透射谱，插图是对应样品的光学禁带长度
蚀刻后样品的透射谱测试结果如图4所示。从图中可以见到，未经蚀刻处理的氧化镓薄
膜于可见光区的平均透射率在80%以上，当单独使用Ar二氧化碳进行渗氮后，氧化镓薄膜的透射特点变化较为显著，具体表现为吸收边不再险峻，即在500nm左右开始出现显著的吸收现象。我们觉得这是因为Ar离子的轰击，在氧化镓表面产了生大量空位缺陷，缺陷吸收造成了样品透射特点的变化。对于SF6:Ar为5:15和10:10条件下蚀刻的氧化镓薄膜，透射率虽略有增加并且吸收边仍旧险峻，表明蚀刻对其透射特点影响并不显著。而对于SF6:Ar为15:5和全部为SF6二氧化碳时，蚀刻后样品在可见光区的平均透射率获得了显著提升（达到95%），并且依照目前早已获得测试结果还不能确定其形成缘由，须要对样品做进一步的表征与剖析。另外，我们还估算了未蚀刻和蚀刻后各个样品的光学禁带长度，结果如插图所示。当SF6与Ar的流量比为15:5时，蚀刻后氧化镓薄膜的光学禁带长度最大。表明在此条件下蚀刻后的氧化镓薄膜才能透过更长波长的光，其“透明性”获得提升。
3推论
本文采用ICP设备，借助SF6和Ar二氧化碳对外延生长在c面蓝宝石衬底上的氧化镓薄膜进行了蚀刻。在实验所选条件下，我们发觉单纯使用Ar作为蚀刻二氧化碳，无法对氧化镓进行有效蚀刻，尽管Ar离子的轰击会促使氧化镓薄膜表面粗造度有所增加，并且因轰击而形成的缺陷，会明显增加氧化镓薄膜的光学质量。当在蚀刻气体中加入SF6后，氧化镓薄膜的蚀刻速度显著增强。膜厚和XRD测试结果表明蚀刻前后氧化镓薄膜的蚀刻速度和晶体质量基本不受SF6与Ar流量比变化的影响，但其表面粗糙度和光学特点受流量比的影响较为明显。