Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料和ITO薄膜的ICP刻蚀研究

摘要

近年来，Inductively Coupled Plasma（简称ICP）刻蚀技术作为一种新兴的高密度等离子体干法刻蚀技术，在对硅、二氧化硅、Ⅲ-Ⅴ族化合物等半导体材料的刻蚀方面获得了很好的效果，已被广泛应用到了各种光电子器件的制作工艺中。目前，人们常采用这一技术制作LED器件的特殊结构，LD器件的端面，镜面，光栅等结构。在以上应用中，要求刻蚀侧壁平滑度高，且随着近年来器件集成度的不断提高，器件尺寸越来越小，对刻蚀的精细度要求也越来越高。人们不断在ICP刻蚀技术的研究领域中寻求各种突破点，提升器件制备效率，优化器件性能。
　　 随着ICP刻蚀技术对GaAs等低键能Ⅲ-Ⅴ族化合物材料的台面刻蚀的不断成熟，利用ICP刻蚀技术对Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的刻蚀近几年来主要转变为实现特殊图形和特殊结构的刻蚀以及高键能材料（如GaN，AlGaAs材料等）的高速率刻蚀研究上。在以上研究中，要求刻蚀形貌良好，还需考虑刻蚀掩模的状态指标，刻蚀速率的可控性，以及对刻蚀设备的污染程度等。因此，通过对ICP刻蚀过程以及刻蚀前后的各项参数的实验与研究，分析各种因素对刻蚀情况的影响，从而提出最优刻蚀条件，才能实现器件结构及制备工程的优化，制作出高性能光电器件。
　　 本论文通过采用感应耦合等离子体（ICP）干法刻蚀系统，围绕GaAs，AlGaAs，ITO等半导体材料深入研究了其刻蚀规律，实现了GaAs材料的有角度侧壁刻蚀，ITO材料的刻蚀及.AlGaAs材料的优化刻蚀。具体工作如下：
　　 1.GaAs基材料有角度侧壁刻蚀研究。由于GaAs垂直侧壁的刻蚀研究已经非常成熟，而近年来许多特殊结构的出现要求器件具备倾斜有角度的平滑侧壁，因此本论文对GaAs材料的有角度刻蚀进行了研究。通过对GaAs材料刻蚀机制的了解，并结合实现有角度刻蚀机理的理论分析，我们以控制GaAs材料的刻蚀速率对光刻胶掩模的刻蚀速率比来实现有角度的侧壁。我们先选择一定的ICP刻蚀系统参数，通过实验研究ICP功率、RF功率、气体比例对刻蚀速率及选择比的影响，总结其规律，最后确定最佳ICP刻蚀参数，实现了刻蚀样品倾斜角度的形成。同时，我们对刻蚀形貌进行SEM分析，通过加入C2H4气体消除刻蚀后的残余物在刻蚀表面的覆盖并缓解了侧壁的粗糙度，且利用RIE对GaAs材料进行刻蚀，解决了刻蚀过程中刻蚀表面温度过高导致形貌扭曲的问题。最后，我们比较了不同刻蚀条件下LED器件的性能。
　　 2.ITO薄膜的刻蚀研究。ITO是一种高键能半导体，很难实现高速率的刻蚀。本论文中，我们研究了ITO的刻蚀机理，光刻胶掩模的制备条件以及其在不同的刻蚀环境中发生的状态变化，ITO的刻蚀速率随着各工艺参数变化的规律。通过总结实验规律，在200W RF功率，300W ICP功率，10mTorr气体压强，30sccm/7sccm/50sccmCl2/C2H4/Ar刻蚀气体流量下，我们得到了最大200nm/min的刻蚀速率并获得了光滑平整的刻蚀侧壁形貌。
　　 3.AlGaAs材料的刻蚀研究。AlGaAs材料在刻蚀过程中由于其Al元素易被氧化成难以刻蚀的沉积物覆盖在刻蚀表面而阻碍刻蚀反应的进行，导致刻蚀速率的不稳定及刻蚀形貌粗糙。本论文以GaAs材料的刻蚀研究为依据，通过加大RF功率对表面的沉积物进行物理轰击刻蚀，有效地清除了刻蚀表面氧化沉积物，保证刻蚀速率的稳定性；并加大Ar流量在刻蚀气体中的比例来控制刻蚀的速率，使其不会随着。RF功率的增大而迅猛增加。Ar同时也对表面沉积物的刻蚀具有促进作用，也能从根本上消除表面生成物的沉积。通过对AlGaAs材料刻蚀的优化，我们实现了在适当的刻蚀速率下刻蚀出光滑平整的表面形貌。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪 论

1.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的应用及发展现状

1.2 半导体制造业发展现状与展望

1.3 刻蚀技术在半导体器件制备中的应用及发展

1.3.1 湿法刻蚀技术的应用

1.3.2 干法刻蚀技术的应用,分类与比较

1.4 ICP刻蚀技术的发展及研究现状

1.5 本论文的研究目的,意义及主要内容

1.5.1 GaAs基材料有角度的表面形貌刻蚀研究

1.5.2 GaAs/AlGaAs基DBR材料的刻蚀研究

1.5.3 ITO薄膜材料的刻蚀研究

第2章 ICP刻蚀仪器及其刻蚀机理介绍

2.1 ICP刻蚀设备简介

2.1.1.ICP刻蚀系统原理介绍

2.1.2.Corial 200L ICP刻蚀系统特点介绍

2.2 ICP系统等离子体特征及其刻蚀机理

2.2.1.感应耦合等离子体产生原理

2.2.2.感应耦合等离子体分布特征

2.2.3.感应耦合等离子体刻蚀机理

2.2.4.感应耦合等离子体刻蚀表面作用模型分析

2.3 ICP刻蚀的基本要求

2.3.1 刻蚀速率

2.3.2 刻蚀侧壁的角度及形貌

2.3.3 刻蚀选择比

2.3.4 刻蚀均匀性

2.4 影响ICP系统刻蚀结果的因素

2.4.1 刻蚀气体的选择及气体中各成分所占比例

2.4.2 气体流速和反应室的压力

2.4.3 刻蚀样品基片的温度

2.4.4 ICP功率的影响

2.4.5 RF功率的影响

2.4.6 掩膜的形状对刻蚀结果的影响

2.5 SEM测试仪及原理简介

2.6 本章小结

第3章 ICP对GaAs进行有角度的表面形貌刻蚀的研究

3.1 对GaAs进行有角度刻蚀的刻蚀机理

3.1.1 GaAs的刻蚀机理：

3.1.2 实现有角度刻蚀的条件

3.2 不同工艺参数对刻蚀速率、选择比的影响规律

3.2.1 Cl2对刻蚀速率及选择比的影响

3.2.2 RF功率对刻蚀速率及选择比的影响

3.2.3 ICP功率对刻蚀速率及选择比的影响

3.3 优化刻蚀形貌

3.3.1 C2H4对刻蚀侧壁进行优化

3.3.2 RIE（反应离子刻蚀）优化侧壁

3.3.3 刻蚀条件对垂直度的影响

3.4 有角度表面形貌的刻蚀在LED制备中的应用

3.5 本章小结

第4章 ITO材料的刻蚀研究

4.1 实验准备及介绍

4.1.1.湿法刻蚀技术与干法刻蚀技术的比较

4.1.2.光刻胶掩膜的制备条件对刻蚀结果的影响

4.2 ITO材料的刻蚀机理

4.3 ITO刻蚀规律研究

4.3.1.RF功率对刻蚀速率和掩膜的影响

4.3.2.ICP功率对刻蚀速率和掩膜的影响

4.3.3.工作压强对刻蚀速率的影响

4.3.4.气体流量和比例对刻蚀速率的影响

4.3.5.刻蚀条件对刻蚀形貌的影响

4.4 本章小结

第5章 AlGaAs材料的刻蚀研究

5.1 AlGaAs材料的刻蚀机理

5.2 优化AlGaAs材料的刻蚀

5.2.1 增强RF功率

5.2.2 改变气体比例

5.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致 谢