在HF溶液中蝕刻期間GaAs上的砷形成

引言

到目前為止，GaAs晶片的直接再利用受到晶片表面上的殘留物的限制，這些殘留物不能利用一般的清洗方法方式去除。因此，用顯微技術(shù)、輪廓術(shù)和x光電子能譜研究了氫氟酸對GaAs晶片的腐蝕。發(fā)現(xiàn)在蝕刻之后，晶片表面立即被元素碑的棕色層覆蓋。該層的厚度和均勻性取決于蝕刻過程中的光照和氟化氫濃度。在存儲蝕刻晶片的過程中，碑層被三氧化二碑顆粒代替。結(jié)果表明，只有當(dāng)晶片暴露在空氣中的光線下時，才會形成氧化物顆粒。

實驗

所有實驗均在1 x 1 cm- n型GaAs樣品上進行，所有樣品均由新的（ 100）GaAs晶片制備。每個樣品的一角都覆蓋有光刻膠，以防止在該位置蝕刻。去除光致抗蝕劑后，蝕刻速率會降低，通過測量樣品的掩蔽角和蝕刻部分之間的臺階高度來確定。所有實驗都是通過將GaAs樣品面朝上放置在容器中，并從儲備溶液中加入6毫升水中的氟化氫溶液來進行的。通常使用20%的氟化氫濃度。蝕刻劑是在室溫約21℃下使用，在實驗過程中不攪拌。

沖洗樣品后，立即用棉簽在樣品上的三個位置重新移動棕色層，測量沉積物厚度。因為這個厚度是用輪廓儀測量的。這是蝕刻后，樣品儲存不同的時間在環(huán)境條件下（即，當(dāng)暴露于光和空氣中時，以及在室溫下），除了將樣品保持在無氧條件下（N2凈化氣氛，氧濃度＜5 ppm）和/或在黑暗中的一 一些儲存實驗。照明由環(huán)境光（熒光燈）提供，在GaAs光電二極管上產(chǎn)生0.09毫安/平方厘米的短路電流密度。

使用MatLab算法分析光學(xué)顯微照片中的粒子形成。直接的分割. 方法是將圖像轉(zhuǎn)換為灰度，然后通過強度（灰度值）的差異將粒子從, 背景中分離出來。然而，這沒有考慮背景的不均勻性，例如，如圖1a所示，其中中心的背景比圖像邊緣的背景亮。

圖1 (a)在蝕刻和存儲的樣本上發(fā)現(xiàn)的粒子，以及(b)從圖像強度中進去校正后的背景強度后的光學(xué)纖維照片

結(jié)果和討論

在實驗中，樣品要么在黑暗中蝕刻，要么暴露在環(huán)境光下。所有樣品的蝕刻速率相當(dāng)，但觀察到蝕刻表面上形成的棕色沉積物存在顯著差異。在光照下蝕刻時，會形成一層薄而均勻的層，而在黑暗中蝕刻會產(chǎn)生較厚的不均勻沉積物，表面上有一些裸露的區(qū)域，如圖2。掃描電鏡分析表明，棕色沉積物表面由小丘組成。

圖2 在1 x lcm2 GaAs樣品上形成的棕色沉積物的照片，這些樣品a）暴露在環(huán)境光下；b）在蝕刻過程中保持黑暗；c）掃描電鏡照片顯示棕色沉積物上的小丘

考慮到ELO過程中的光照條件（環(huán)境光），所有后續(xù)樣品在蝕刻過程中都暴露在光線下。樣品在不同HF濃度的溶液中蝕刻不同的時間，以研究蝕刻速率和沉積層厚度。改變儲存條件（光照和暴露在空氣中）以確定這些因素對顆粒形成的影響。在圖3和4中，GaAs蝕刻深度和沉積物厚度在蝕刻之后，對于三種HF濃度，蝕刻速率是蝕刻時間的函數(shù)。這些數(shù)據(jù)點是針對不同的GaAs樣品，即從蝕刻劑中取出的樣品沒有被再次浸入以進行進一步蝕刻?？梢钥闯?，GaAs蝕刻深度增加在時間上是線性的，表示大約16nm/小時的恒定蝕刻速率。 僅觀察到蝕刻速率和蝕刻劑中的HF濃度之間的微弱關(guān)系。棕色沉積物的厚度隨時間增加，但在大約7小時的蝕刻后趨于20-30納米范圍內(nèi)的恒定值。

圖3 對于三種HF濃度，GaAs蝕刻深度是蝕刻時間的函數(shù)

圖4 對于三種HF濃度，蝕刻后的沉積物厚度是蝕刻時間的函數(shù)

圖6顯示了 GaAs樣品（a）蝕刻后（當(dāng)棕色沉積物覆蓋表面時）直接拍攝的掃描電鏡圖像，（b）蝕刻樣品儲存3小時后和（c）4周后的掃描電鏡圖像。

圖6 GaAs樣品的SEM圖像a)在蝕刻后直接進行b)在蝕刻后的樣品儲存3小時后c)4周

GaAs晶圓片污染的表征。我們開發(fā)了一種濕法蝕刻程序來清洗晶圓片，以便重復(fù)使用。目前的研究表明有兩種選擇：通過去除元素碑層，可以在蝕刻后（或在黑暗和/或真空中儲存后）立即清洗晶片；或者可以在蝕刻后儲存晶片，以便形成As2O3顆粒，然后通過溶解它們或在刷子裝置中去除它們。

結(jié)論

為了在ELO之后開發(fā)一種用于晶片的濕法蝕刻清洗程序，研究了在該過程蟲形成的污染。在HF溶液中，蝕刻期間出現(xiàn)在GaAs晶片上的棕色層被證明由元素砷組成。砷的形成有兩種機制。在黑暗中蝕刻是化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致砷化氫形成，然后可以分解為元素砷。當(dāng)GaAs暴露在光線下時，會形成電子-空穴對；這些孔用于陽極蝕刻反應(yīng)，在表面形成均勻的砷層。在存儲蝕刻樣品時，沉積的砷層逐漸氧化并形成As203微晶。

　　審核編輯：鄢孟繁