专利名称：一种氧化锌材料的化学刻蚀方法
技术领域：
本发明涉及一种氧化锌材料的化学刻蚀方法。
背景技术：
氧化锌(ZnO)作为第三代半导体材料在光电子器件和微波器件方面具有非常广阔的应用前景。在常见的光电、微波器件如发光二极管、激光二极管，光电探测器及高迁移率晶体管，异质结双极晶体管等的制造工艺当中，刻蚀都是十分必要的步骤。
刻蚀通常分为干法刻蚀及湿法刻蚀两种，湿法刻蚀又分为化学刻蚀和电化学刻蚀等诸多类型，其中化学刻蚀因具有成本低(不需要干法刻蚀那样昂贵的等离子体设备)、刻蚀速率可控、操作简单以及适用范围广等优点而被广泛采用。
现已公开的氧化锌材料的化学刻蚀方法主要集中在各种酸溶液的使用上，具体包括1、使用盐酸(HCl)溶液或者磷酸(H3PO4)与醋酸(HAc)的混合液进行刻蚀(Physica B 340(2003)210)。
2、使用盐酸溶液刻蚀(Thin solid film 411(2002)91，Journalof the Ceramic Society of Japan 110(2002)395，Jpn.J.Appl.Phys.40(2001)L303)。
在使用上述酸作为刻蚀剂时，常会出现刻蚀速率不均匀的现象。通常如图1箭头1，2所指的边缘部分的刻蚀速率会快于箭头3所指的中心部分的刻蚀速率，从而造成样品出现如图2所示的呈“W”型的剖面形貌，这种形貌对于半导体器件的质量具有致命的影响。例如，制作最为常见的pn结时，如果刻蚀中出现上述图2所示的“W”形剖面，会使器件p区与n区之间断路，从而直接导致器件制作的失败。
解决上述问题的办法，目前已经公开的只有文献Semi cond.Sci.Technol.17(2002)510。在该文献中，作者在氮化镓材料的电化学刻蚀实验中，建立了理论模型，并声称该模型适用于所有的“质量转移体系”即所有的刻蚀体系。文献中提到通过提高腐蚀剂的浓度，从而提高刻蚀速率来解决“W”型剖面的问题，但是高速刻蚀带来的刻蚀过程不好控制的问题同样十分严重。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种克服了常用酸溶液刻蚀样品时刻蚀速率边缘快中心慢的问题、集刻蚀表面平整和刻蚀速率可控两种优点于一身的一种氧化锌材料的化学刻蚀方法。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案为一种氧化锌材料的化学刻蚀方法，包括以下步骤首先制作氧化锌材料的掩模，然后通过三氯化铁水溶液或含三氯化铁的酸溶液进行刻蚀。
进一步，所述三氯化铁水溶液的浓度为0.4-40毫摩尔每升。
进一步，所述含三氯化铁的酸溶液为含三氯化铁的盐酸溶液。
进一步，所述含三氯化铁的盐酸溶液中三氯化铁的浓度为0.4-40毫摩尔每升，盐酸的体积百分比为0.4％-2％。
上述刻蚀方法中，由于采用三氯化铁溶液作为刻蚀剂，因此可保证刻蚀表面平整，并且只需改变三氯化铁溶液的浓度，就可以在保证刻蚀表面平整的前提下，得到不同的刻蚀速率，操作非常简单；而且，还可通过控制刻蚀时间来控制刻蚀深度。
图1为现有的经过酸液刻蚀后的氧化锌材料，用dektak 8型表面形貌仪测得典型的“W”型的刻蚀剖面图；图2为具有“W”型刻蚀剖面的pn结样品的示意图；图3为经过三氯化铁溶液刻蚀后的氧化锌材料，用dektak 8型表面形貌仪测得的平整的“U”型刻蚀剖面图；图4为刻蚀速率随三氯化铁浓度变化的曲线；图5为带掩模的氧化锌材料的示意图；图6为氧化锌材料的刻蚀深度随时间的变化的曲线；图7为经三氯化铁的盐酸溶液刻蚀后的氧化锌的剖面图。
具体实施例方式
实施例1一种对镓掺杂n型氧化锌材料的单晶薄膜进行刻蚀的方法，首先使用标准的光刻技术制作如图5所示的掩模，并使用dektek 8型表面形貌仪测出掩模的厚度h0，然后，使用浓度为0.4mM的三氯化铁(FeCl3)溶液进行刻蚀，并用dektak 8型表面形貌仪测量刻蚀后掩模的厚度h1。有确切的实验证明三氯化铁对掩模没有刻蚀作用，因此h1-h0即为刻蚀的厚度。刻蚀以32nm/min的速率稳定进行，最终在单晶薄膜上获得了平整的刻蚀表面。
实施例2一种对镓掺杂n型氧化锌材料的单晶薄膜进行刻蚀的方法，首先使用标准的光刻技术制作如图5所示的掩模，并使用dektek 8型表面形貌仪测出掩模的厚度h0，然后使用浓度为40mM的三氯化铁(FeCl3)溶液刻蚀样品10秒钟，测得刻蚀深度为220nm，得到刻蚀速率为1300nm/min，最终在单晶薄膜上获得了平整的刻蚀表面。
实施例3一种对镓掺杂n型氧化锌材料的单晶薄膜进行刻蚀的方法，首先使用标准的光刻技术制作如图5所示的掩模，并使用dektek 8型表面形貌仪测出掩模的厚度h0，然后使用浓度为0.6mM的三氯化铁(FeCl3)溶液进行刻蚀，得到刻蚀速率为900nm/min，最终在单晶薄膜上获得了平整的刻蚀表面。
经过三氯化铁溶液刻蚀后的氧化锌材料，用dektak 8型表面形貌仪测得的平整的“U”型刻蚀剖面图，如图3所示，由上到下依次为刻蚀之前、刻蚀2分钟、刻蚀4分钟、刻蚀6分钟时的剖面图。
实施例4为加快刻蚀速度，对镓掺杂n型氧化锌材料的单晶薄膜进行刻蚀的方法，刻蚀剂可采用含三氯化铁的酸溶液；利用与上述实施例1所述相同的方法，刻蚀剂采用三氯化铁(FeCl3)的盐酸(HCl)溶液，其中三氯化铁(FeCl3)的浓度为8mM，盐酸(HCl)的体积比浓度为0.5％。样品刻蚀20秒钟，测得刻蚀深度为150nm，刻蚀速率为600nm/min，并最终在单晶薄膜上获得了平整的刻蚀表面。
实施例5一种对镓掺杂n型氧化锌材料的单晶薄膜进行刻蚀的方法，利用与上述实施例1所述相同的方法，刻蚀剂采用三氯化铁(FeCl3)的盐酸(HCl)溶液，其中三氯化铁(FeCl3)的浓度为0.4mM，盐酸(HCl)的体积比浓度为2％。最终在单晶薄膜上获得了平整的刻蚀表面。
实施例6一种对镓掺杂n型氧化锌材料的单晶薄膜进行刻蚀的方法，利用与上述实施例1所述相同的方法，刻蚀剂采用三氯化铁(FeCl3)的盐酸(HCl)溶液，其中三氯化铁(FeCl3)的浓度为40mM，盐酸(HCl)的体积比浓度为0.4％。最终在单晶薄膜上获得了平整的刻蚀表面。
上述经三氯化铁的盐酸溶液刻蚀后的氧化锌的剖面图如图7所示。
从以上实施例可得到如图4所示刻蚀速率随三氯化铁浓度变化的曲线及如图6所示氧化锌材料薄膜的刻蚀深度随时间变化的曲线，由图4所示曲线可知，简单的改变三氯化铁溶液的浓度，就可以在保证刻蚀表面平整的前提下，得到不同的刻蚀速率；由图6所示可知，通过控制刻蚀时间即可控制刻蚀深度。
上述利用三氯化铁的水溶液或盐酸溶液进行刻蚀的方法同样适用于对本征氧化锌单晶薄膜进行刻蚀。利用与实施例1所述相同的方法，使用dektek 8型表面形貌仪测量刻蚀深度。刻蚀剂采用三氯化铁(FeCl3)的盐酸(HCl)溶液，其中三氯化铁(FeCl3)的浓度为8mM，盐酸(HCl)的体积比浓度为0.5％。样品刻蚀20秒钟后，dektek 8型表面形貌仪测得的剖面图如图7所示，刻蚀深度为150nm，刻蚀速率为600nm/min。
权利要求
1.一种氧化锌材料的化学刻蚀方法，其特征在于包括以下步骤首先制作氧化锌材料的掩模，然后通过三氯化铁水溶液或含三氯化铁的酸溶液进行刻蚀。
2.如权利要求1所述的氧化锌材料的化学刻蚀方法，其特征在于所述三氯化铁水溶液的浓度为0.4-40毫摩尔每升。
3.如权利要求2所述的氧化锌材料的化学刻蚀方法，其特征在于所述含三氯化铁的酸溶液为含三氯化铁的盐酸溶液。
4.如权利要求3所述的氧化锌材料的化学刻蚀方法，其特征在于所述含三氯化铁的盐酸溶液中三氯化铁的浓度为0.4-40毫摩尔每升，盐酸的体积百分比为0.4％-2％。
全文摘要
本发明公开了一种氧化锌材料的化学刻蚀方法，该方法包括以下步骤首先制作氧化锌材料的掩模，然后通过三氯化铁水溶液或含三氯化铁的酸溶液进行刻蚀。上述刻蚀方法中，由于采用三氯化铁溶液作为刻蚀剂，因此可保证刻蚀表面平整，并且只需改变三氯化铁溶液的浓度，就可以在保证刻蚀表面平整的前提下，得到不同的刻蚀速率，操作非常简单；而且，还可通过控制刻蚀时间来控制刻蚀深度。
文档编号C23F1/14GK1644764SQ20051000269
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月26日 优先权日2005年1月26日
发明者郑浩, 杜小龙, 薛其坤, 顾长志 申请人:中国科学院物理研究所