一种砷化镓单晶位错坑的腐蚀方法及腐蚀液配方与流程

本发明涉及化学工艺技术领域，特别是涉及一种gaas单晶位错坑的腐蚀方法及腐蚀液配方。

背景技术

砷化镓是一种重要的半导体材料。由于其电子迁移率比硅大6倍，因此在高频场合，如超高速、超高频器件和集成电路的应用上有着更为出色的表现。而且在一块砷化镓芯片上可以同时处理光电数据，因而被广泛应用于电子领域。砷化镓性能优越且用途广泛，因此对其质量的把控就显得尤为重要。位错是晶体材料的一种内部微观缺陷，由晶体中局部区域的滑移造成，是决定金属等晶体力学性质的基本因素。位错密度，指单位体积内位错线的总长度，在实际应用中，通常以单位表面积内形成位错腐蚀坑的个数来表示，是衡量晶体工艺的一个重要指标。测定砷化镓的位错密度对于其生产制造有重要的意义。

现有技术中，测定砷化镓(gaas)的位错密度的方法一般采用金相法，将表面无脏污的砷化镓单晶{100}晶片置于400℃熔融的氢氧化钾澄清液内腐蚀3～7分钟后，取出样片，自然冷却至室温，然后用去离子水冲洗干净、烘干，完成位错坑的腐蚀。其中关于晶片表面质量，通常是通过研磨或抛光操作等方式去除晶片表面的切割线痕，使晶片表面光滑和平坦。

申请人发现上述技术方案存在如下缺点：一方面，晶片容易破碎，砷化镓单晶属于脆性材料，由室温至400℃的温度骤升会使晶片表面温度迅速升高，从而因晶片边缘或内部存在的暗纹或缺陷而“炸裂”，因此经过氢氧化钾腐蚀操作很难得到完整的晶片，碎裂的晶片无论在后续晶片冲洗和数位错坑的环节均会带来诸多不便；另一方面，晶片腐蚀掉量大，现有技术中由于氢氧化钾强碱性和高操作温度，晶片的腐蚀掉量基本在10～20um间，即使经过腐蚀的晶片不会破碎，但较大的腐蚀掉量及明显的腐蚀痕迹会使晶片无法再重复使用，是一种典型的破坏性测试方法。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种gaas单晶位错坑的腐蚀方法及腐蚀液配方，以解决现有技术中gaas单晶位错缺陷的呈现中，待测晶片易碎裂以及腐蚀掉量过大的问题。

根据本发明的第一方面，本申请提供一种gaas单晶位错坑的腐蚀方法，所述方法包括：

将待测gaas晶片的观察面进行抛光处理，获得待测晶片；

按照预设比例配制氢氟酸、双氧水、去离子水的混合液为腐蚀液，并将所述腐蚀液置于腐蚀槽中；

将腐蚀槽置于有冰水混合物的水浴锅内，并维持腐蚀槽内腐蚀液温度在3～8℃范围内；

开启光源，使光照射在所述腐蚀槽底部；

将待测晶片置于镂空底座上，并将所述镂空底座放入所述腐蚀槽内，使镂空底座上的待测晶片处于腐蚀槽中冷光源的照射范围内，并令腐蚀液浸没待测晶片，反应30～50分钟。

可选地，所述待测gaas晶片包括晶向偏转角度在预设偏转角范围内的gaas{100}晶片。

可选地，所述预设偏转角范围为0～15°。可选地，所述按照预设比例配制氢氟酸，双氧水，去离子水的混合液为腐蚀液，包括：

混合液中的氢氟酸、双氧水、去离子水的容积比为(2～8)：(0.5～2)：(88～97)。

可选地，所述光源为功率在100～150w的辐照范围内的冷光源。

可选地，所述镂空底座为耐腐蚀的镂空底座。

可选地，所述将所述镂空底座放入所述腐蚀槽内，包括：

用夹子夹持镂空底座，并将镂空底座与待测晶片一同放入所述腐蚀槽内；其中所述夹子为耐腐蚀的夹子。

根据本发明的第二方面，提供了一种腐蚀液，所述腐蚀液由氢氟酸、双氧水、去离子水混合获得；所述混合液中的氢氟酸、双氧水、去离子水的容积比为(2～8)：(0.5～2)：(88～97)。

本发明实施例采用3～8℃为腐蚀温度，相对于当前采用熔融氢氧化钾腐蚀配方需要400℃的操作温度而言，能降低冷热交替产生的应力集中，能够避免晶片在腐蚀过程中的碎裂，从而保证了腐蚀前后晶片的完整性，因此可以得到整个晶片的位错分布信息，也避免了当前晶片破碎后重新拼接的繁琐操作；相对于现有技术腐蚀配方中10～20um的腐蚀掉量，本发明实施例中晶片的腐蚀掉量有所降低(≤5um)。从而降低腐蚀作用对晶片的破坏，经过本发明处理后的晶片，由于腐蚀掉量低，因此可回收重复利用，不会造成额外的晶片浪费。

附图说明

图1是本发明实施例1中的一种gaas单晶位错坑的腐蚀方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例1中的一种gaas单晶位错坑的腐蚀方法的框架示意图；

图3是本发明实施例1中使用本方案中腐蚀液腐蚀后的砷化镓单晶晶片位错坑分布示意图；

图4是本发明实施例1中将本方案腐蚀后的晶片重新研磨以现有技术配方腐蚀后的位错坑分布示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参照图1，示出了一种gaas单晶位错坑的腐蚀方法的步骤流程图，结合图2示出的框架示意图，本申请具体步骤包括：

步骤101：将待测gaas晶片(10)的观察面进行抛光处理，获得待测晶片。

可选地，所述gaas单晶材料包括n型gaas掺si(si，硅)半导体、p型gaas掺zn(zn，锌)半导体、gaas掺c(c，碳)半绝缘型半导体及其它gaas单晶材料，只要主体为gaas单晶的材料均可用于本方案，本发明对具体gaas单晶材料的种类不做限定。

具体应用中，本发明实施例可以使用专业抛光处理设备对所述待测gaas晶片(10)进行机械抛光，也可以使用化学方法对所述待测gaas晶片(10)抛光，或者是机械与化学同时作用的方法加工，只要将待测gaas晶片(10)的观察面加工成镜面效果即可，本发明对具体抛光的方法不做限定。

可选地，所述待测gaas晶片包括晶向偏转角在预设偏转角范围内的gaas{100}晶片。

晶体中，通过晶体中原子中心的平面为晶面，空间相互平行的一组晶面为同一晶面用(hkl)表示，晶面空间方位不同，但原子排列规律相同的晶面属于同一晶面族用{hkl}表示，{100}表示由对称性联系起来的一组等效晶面，包括(100)、(010)、(001)、(-100)、(0-10)、(00-1)，gaas{100}晶片即为上述晶面族的gaas晶片，只要gaas晶片为{100}晶面族均可用于本方案，本发明对此不做限制。

晶向偏转角度为晶体的晶面向某一方向偏转的角度，除gaas{100}晶片外，若gaas{100}晶片的晶向发生偏转，只要其晶向偏转角在预设的偏转角度范围内，也可用于本方案，本发明对此不做限制。

可选地，所述预设偏转角范围为0～15°，比如偏转角可以是0°、6°、10°和15°的0～15°范围内的任意角度。当偏转角为0°时，该待测晶片为gaas{100}；当偏转角为6°时，该待测晶片为基于gaas{100}的晶向偏转6°的晶片；当偏转角为10°时，该待测晶片为基于gaas{100}的晶向偏转10°的晶片；当偏转角为15°时，该待测晶片为基于gaas{100}的晶向偏转15°的晶片。

晶体中,任意两个原子之间的连线称为原子列,其所指方向称为晶向，通常,采用晶向指数即[hkl]来表示晶向在晶体中的位向，由于晶体具有对称性，由对称性联系着的那些晶向可以方向不同，但它们的周期却相同，因而是等效的，这些等效晶向为一个晶向族用<hkl>来表示，对于晶向偏转方向，由于当前市场使用的砷化镓晶片主要是以向<111>a/b(在iii-v族化合物单晶中，我们习惯用a代表iii族原子，b代表v族原子，即在gaas单晶中，a代表ga原子，b代表as原子，{111}a表示富ga面，{111}b表示富as面，<111>a和<111>b分别为对应晶向)及<110>方向偏转为主，本实例均是以上述两类方向进行说明，实际上对具体偏转方向可不做限定。

步骤102：按照预设比例配制氢氟酸、双氧水、去离子水的混合液为腐蚀液(11)，并将所述腐蚀液(11)置于腐蚀槽(12)中。

可选地，所述预设比例为氢氟酸、双氧水、去离子水容积比(2～8)：(0.5～2)：(88～97)比例范围内的配比。比如该腐蚀液的比例可以是由容积比为2：0.5：88的氢氟酸、双氧水、去离子水混合配制，也可以是由容积比为8：2：97的氢氟酸、双氧水、去离子水混合配制，或者是由氢氟酸、双氧水、去离子水容积比(2～8)：(0.5～2)：(88～97)各自对应范围内的任意数值成比例配制。

优选地，所述混合液中的氢氟酸、双氧水、去离子水的容积比为5：1：94。

需要说明的是，氢氟酸、双氧水、去离子水以容积比5：1：94的比例混合，获得的腐蚀液具有最佳的腐蚀效果，既能完整清晰的呈现gaas晶片的位错坑数量及位置，又能使腐蚀掉量达到最低(≤5um)，低腐蚀掉量使得晶片可以经过简单抛光处理后回收利用，避免造成浪费。

步骤103：将腐蚀槽(12)置于有冰水混合物的水浴锅内，并维持腐蚀槽(12)内腐蚀液(11)温度在3～8℃范围内。

可选地，腐蚀液温度设置可以是3℃，也可以是8℃，还可以是如4℃、5℃、6℃、7℃等处于3～8℃温度范围内的任意温度。低温环境下进行腐蚀反应，使冷热交替产生的应力集中降低，避免了gaas晶片因温度骤变而碎裂，保证了腐蚀前后晶片的完整性，从而节省了现有技术中腐蚀反应结束后有时还需要拼接破碎晶片的操作，直接得到整个晶片的位错坑分布信息。

步骤104：开启光源(13)，使光照射在所述腐蚀槽(12)底部。

可选地，所述光源为功率在100～150w(w，瓦)的辐照范围内的冷光源。

可选地，冷光源的功率设置可以是100w、也可以是150w、还可以是如110w、120w、130w、140w等处于100～150w功率范围内的任意功率。使用冷光源，光照条件下，晶体的活性增加，使得腐蚀反应可以在低温、低浓度的条件下发生。

可选地，所述光源还可以是卤素灯或激光类光源。在本实验方案中，腐蚀速率也受光照条件影响，在相同腐蚀条件下，光照可以提高腐蚀速率和改善腐蚀图案的清晰度，卤素灯辐照时会产生大量的热量，影响药液反应温度，激光类光源由于光束比较集中，耗能小，可以用于局部腐蚀实验。本领域的技术人员可以按照具体反应条件进行选择。

步骤105：将待测晶片置于镂空底座(14)上，并将所述镂空底座(14)放入所述腐蚀槽(12)内，使镂空底座(14)上的待测晶片处于腐蚀槽(12)中冷光源(13)的照射范围内，并令腐蚀液(11)浸没待测晶片，反应30～50分钟。可选地，所述反应时间可以是30分钟，也可以是50分钟，还可以是如35分钟、40分钟、45分钟等处于30～50分钟时间范围内的任意时间。

优选地，当反应温度在3～8℃内，冷光灯功率为100～150w，腐蚀液配比为氢氟酸、双氧水、去离子水的容积比5：1：94时，反应时间是40分钟的时候是最合适的反应时间在上述条件下，反应40分钟后gaas晶片上的位错坑因腐蚀作用充分显现，再进行反应即使腐蚀反应继续发生，位错坑的数量及位置的呈现也不会产生，更清晰完整的效果，即在上述条件下，反应时间40分钟是使腐蚀反应充分发生的最佳时间。

可选地，所述镂空底座为耐腐蚀的镂空底座，可以使用不与腐蚀液反应的非金属材料所制的镂空底座，也可以使用其它不与腐蚀液反应的材料，本发明对镂空底座的材料不做限定。

可选地，可以用夹子夹持镂空底座，将镂空底座与待测晶片一同放入所述腐蚀槽内，或者技术人员也可以使用耐腐蚀手套或机械臂操作，本发明对将镂空底座与置于其上的待测晶片放入腐蚀槽内的方式不做限定。

可选地，所述夹子为耐腐蚀的夹子，可以使用特氟龙材料所制的夹子，也可以使用其它不予腐蚀液反应的材料，本发明对夹子的材料不做限定。

具体地，还包括，在反应结束后，将镂空底座(14)和待测晶片(10)一同取出，放入装有去离子水的去离子水槽内，冲洗、烘干。

可选地，可以用夹子夹持镂空底座，将镂空底座与待测晶片一同取出所述腐蚀槽内，或者技术人员也可以使用耐腐蚀手套或机械臂操作，本发明对将镂空底座与置于其上的待测晶片取出腐蚀槽放入去离子水槽的方式不做限定。将镂空底座与待测晶片一同取出，可防止夹持或拿取过程中，对待测晶片造成损伤，使得测量结果不准确。在去离子水槽中，使用去离子水对待测晶片进行冲洗，再烘干，即可通过数位错坑数量，获得准确的位错密度。

本发明实施例采用3～8℃为腐蚀温度，相对于当前采用熔融氢氧化钾腐蚀配方需要400℃的操作温度而言，降低了冷热交替产生的应力集中，能够避免晶片在腐蚀过程中的碎裂，从而保证了腐蚀前后晶片的完整性，可以得到整个晶片的位错分布信息，也避免了当前晶片破碎后重新拼接的繁琐操作；相对于现有技术腐蚀配方中10～20um的腐蚀掉量，本发明实施例中晶片的腐蚀掉量小于5um，相对于现有技术腐蚀配方腐蚀掉量有所降低，因此降低了腐蚀作用对晶片的损伤，经过本发明处理后的晶片，由于腐蚀掉量低，因此可回收重复利用，不会造成额外的晶片浪费。

参照图3为对(100)10°偏向<111>a的砷化镓晶片用本方案腐蚀后的晶片的位错腐蚀坑分布照片。为了与传统熔融氢氧化钾方法进行比较和对照，将该晶片重新研磨，将已有位错腐蚀坑研磨掉，然后用熔融氢氧化钾对该晶片重新进行腐蚀，腐蚀后的位错腐蚀坑分布照片参照图4。通过对比二者腐蚀坑分布情况可以看出，本方案腐蚀坑位置和分布与传统熔融氢氧化钾方法腐蚀出的位错完全一致，且本方案位错腐蚀坑更容易识别。采用接触式测厚仪测量图3样品腐蚀前后厚度变化仅2um，测量图4样品腐蚀前后厚度变化为15um。辐照光源的引入提高了腐蚀速率，改善腐蚀效果，极大程度地降低了为了呈现位错腐蚀坑所需要腐蚀掉的厚度。本方案的腐蚀效果清晰，且腐蚀掉量小，减少了晶片的浪费。

实施例2

本发明提供了一种腐蚀液配方，包括：

所述腐蚀液由氢氟酸、双氧水、去离子水混合获得。

可选地，所述腐蚀液中的氢氟酸、双氧水、去离子水的容积比为(2～8)：(0.5～2)：(88～97)。

比如该腐蚀液的比例可以是由容积比为2：0.5：88的氢氟酸、双氧水、去离子水混合配制，也可以是由容积比为8：2：97的氢氟酸、双氧水、去离子水混合配制，或者是由氢氟酸、双氧水、去离子水容积比(2～8)：(0.5～2)：(88～97)各自对应范围内的任意数值成比例配制。

优选地，所述混合液中的氢氟酸、双氧水、去离子水的容积比为5：1：94。

需要说明的是，氢氟酸、双氧水、去离子水以容积比5：1：94的比例混合，获得的腐蚀液具有最佳的腐蚀效果，既能完整清晰的呈现gaas晶片的位错坑数量及位置，又能使腐蚀掉量达到最低(≤5um)，低腐蚀掉量使得晶片可以经过简单抛光处理后回收利用，避免造成浪费。

该腐蚀液以低浓度的配比，对晶体材料进行位错坑腐蚀，在该腐蚀液的腐蚀反应中，双氧水作为强氧化剂将晶片表面的砷化镓氧化成氧化物(氧化镓和氧化砷)，氢氟酸作为酸性溶剂，对砷化镓晶片表面的氧化物进行腐蚀、溶解，暴露出的新的砷化镓表面被继续氧化、溶解、再氧化、再溶解，这样不断循环，从而实现对晶片表面位错坑的腐蚀。氢氟酸、双氧水和水的混合液配方作为一种选择性腐蚀溶剂，其腐蚀速率受晶体晶向、晶格完整性和晶体是否有缺陷影响。并且由于腐蚀液浓度低，反应过程较为柔和，腐蚀掉量小，不会对晶体材料造成过大的损伤。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。