一種碲化鉍基材料的干法刻蝕方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種在微型熱電制冷器、微型熱電發電器、熱電紅外探測器等溫差電裝置中使用的碲化鉍基材料的干法刻蝕方法，特別是涉及一種使用反應性等離子體的被處理物質的干法刻蝕方法。
【背景技術】
[0002]熱電器件是利用熱電材料的塞貝克效應和珀爾帖效應開發的可實現熱能和電能直接相互轉換的器件。基于半導體微加工工藝開發的微型熱電器件包括微型熱電制冷器、微型熱電發電器、熱電堆紅外探測器等，是近年來熱電器件研究領域的一個重要發展方向，有望在芯片散熱、微型電源、傳感器等領域獲得重要應用。微型熱電制冷器利用熱電材料的珀爾帖效應把電能轉換為熱能，微型熱電發電器利用熱電材料的塞貝克效應將溫差轉換為電能，熱電堆紅外探測器利用熱電材料的塞貝克效應，采用光熱轉換進行紅外成像。
[0003]熱電材料的熱電性能是影響微型熱電器件性能的重要因素，由于微型熱電器件主要工作在室溫附近，因此，目前微型熱電器件主要采用碲化鉍基材料，它是目前室溫附近熱電性能最好的材料。在半導體工藝中，刻蝕是器件制造過程很重要的一部分。在濕法刻蝕碲化鉍基化合物材料中多使用鹽酸、硝酸、磷酸或它們的混合溶液，由于濕法腐蝕本質上是各向同性的，難以獲得各向異性的刻蝕剖面，不適合制備較高深寬比和亞微米尺寸的微結構。干法刻蝕，尤其是利用反應性等離子體的干法刻蝕，由于刻蝕的各向異性，具有非常好的側壁剖面控制和線寬控制，被廣泛用于制備高深寬比和亞微米尺寸的微結構。然而，目前還缺少關于對碲化鉍基材料進行干法刻蝕的報道。
【發明內容】
[0004]面對現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種碲化鉍基材料的干法刻蝕方法，實現材料的快速刻蝕、垂直的刻蝕側壁和對光刻膠具有較高的選擇比，為后續工藝做好準備，使器件達到更精準的水平。在利用反應性等離子體的干法刻蝕中，反應氣體的組成在決定刻蝕的速度和質量方面非常重要，因此本發明提出一種基于甲烷(CH4)和氫氣(H2)刻蝕氣體用于碲化鉍基材料的反應性等離子體的干法刻蝕方法。
[0005]在此，本發明提供一種碲化鉍基材料的干法刻蝕方法，包括:以甲烷和氫氣為反應氣體，以非活性氣體為輔助氣體，對涂有刻蝕阻擋層的碲化鉍基材料進行反應性等離子體刻蝕，在所述反應氣體中，H2所占的體積比為O?62.5%，在所述反應氣體和所述輔助氣體的總氣體中，所述輔助氣體所占的體積比為16.7%?83.3%，刻蝕氣壓為5?30mTorr，射頻功率為:上電極600?1500W、下電極50?200W，所述涂有刻蝕阻擋層的碲化鉍基材料的刻蝕溫度為20°C。
[0006]本發明采用反應性等離子體干法刻蝕，主要利用等離子氣體中活化的甲基與碲化鉍基材料中元素(如B1、Sb、Te)的反應，生成易揮發性物質，實現反應刻蝕的目的。刻蝕過程主要利用CH4/H2氣體和輔助氣體進行，通過控制不同氣體配比(例如反應氣體之間的配t匕、以及反應氣體和輔助氣體之間的配比)、不同氣壓和功率等刻蝕參數的組合來選擇一種最佳的刻蝕效果，即具有垂直的側壁和快的刻蝕速度。
[0007]較佳地，在所述反應氣體中，H2所占的體積比優選為40?60%。
[0008]較佳地，在所述反應氣體和所述輔助氣體的總氣體中，所述輔助氣體所占的體積比優選為25%?70%。
[0009]較佳地，所述輔助氣體優選為氬氣。
[0010]較佳地，所述干法刻蝕方法還包括所述碲化鉍基材料的刻蝕前處理步驟，所述刻蝕前處理步驟包括:對所述碲化鉍基材料進行清洗、涂刻蝕阻擋層、前烘、曝光、顯影、以及堅膜。
[0011]較佳地，所述刻蝕阻擋層為光刻膠。
[0012]較佳地，所述堅膜的溫度為90?110°C，時間為30?60分鐘。
[0013]通過采用光刻膠作為刻蝕阻擋層，并通過控制光刻膠的堅膜溫度和時間以及刻蝕參數，可以獲得碲化鉍基材料對光刻膠的較高刻蝕選擇比。
[0014]較佳地,所述締化秘基材料可以為締化秘材料、締化鋪材料、或二者的合金材料。
[0015]較佳地，用于進行所述反應性等離子體刻蝕的裝置可以為電感耦合等離子體裝置、反應離子刻蝕裝置、或電子回旋加速振蕩裝置。
[0016]本發明的干法刻蝕方法具有近乎垂直的刻蝕側壁、較高的刻蝕速度、對光刻膠具有高選擇比等優點，可廣泛應用于微型熱電制冷器、微型熱電發電器、熱電紅外探測器等溫差電裝置中使用的碲化鉍基材料的刻蝕。
【附圖說明】
[0017]圖1 (a)為反應氣體的不同配比對Bia45SV55Te3材料刻蝕速度的影響；
圖1(b)為輔助氣體與反應氣體的不同配比對Bia45Sbh55Te3材料刻蝕速度的影響；
圖2為通過實施例1處理得到的刻蝕面的掃描電子顯微鏡(SEM)照片；
圖3為通過實施例2處理得到的刻蝕面的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
【具體實施方式】
[0018]以下結合附圖和下述實施方式進一步說明本發明，應理解，附圖及下述實施方式僅用于說明本發明，而非限制本發明。
[0019]本發明提供一種基于CH4/H2刻蝕氣體用于碲化鉍基材料的反應性等離子體的干法刻蝕方法。通過由含有甲烷和氫氣的反應氣體生成的等離子體，對碲化鉍基材料進行刻蝕。通過對各種氣體配比、氣壓、功率、時間等刻蝕參數的控制及參數之間的不同組合，可獲得較高的刻蝕速度和近乎垂直的刻蝕側壁。
[0020]其中，待刻蝕的碲化鉍基材料可以是碲化鉍基半導體薄膜材料，其可以通過公知的物理或化學方法制備，例如在氧化硅襯底上磁控濺射生長碲化鉍基半導體薄膜材料。又，該材料包括但不限于締化秘材料、締化鋪材料、或二者的合金材料。
[0021]在刻蝕之前，可以將待刻蝕的碲化鉍基材料進行清洗、涂膠、前烘、曝光、顯影、以及堅膜處理，以使待刻蝕的碲化鉍基材料覆有刻蝕阻擋層。作為刻蝕阻擋層，可以采用光刻膠，例如型號為AZ4620的光刻膠。其中堅膜處理可以是在90?110°C真空干燥30?60分鐘。通過采用光刻膠作為刻蝕阻擋層，并通過控制光刻膠的堅膜溫度和時間以及刻蝕參數，可以獲得碲化鉍基材料對光刻膠的較高刻蝕選擇比。
[0022]本發明中，用于進行干法刻蝕的裝置可以是電感耦合等離子體裝置(ICP )，也可以是反應離子刻蝕裝置(RIE)、電子回旋加速振蕩裝置(ECR)等其它的干法刻蝕裝置。
[0023]通入的刻蝕氣體可以包括含有甲烷和氫氣的反應氣體。由含有甲烷和氫氣的反應氣體生成的等離子體中活化的甲基與碲化鉍基材料中元素(如B1、Sb、Te)的反應，生成易揮發性物質，實現反應刻蝕的目的。圖1(a)示出一個示例中反應氣體的不同配比對碲化鉍基材料刻蝕速度的影響。由圖可知，在反應氣體中，H2所占的體積比可為O?62.5%，優選為40?60%。借助于此，可以實現快的刻蝕速度，例如可高達約560nm/分鐘。
[0024]又，刻蝕氣體中還可以包括輔助氣體。該輔助氣體優選采用非活性氣體，以用作稀釋氣體或載氣。例如可以采用He、Ar、Ne、Kr等,優選為Ar。圖1 (b)示出一個示例中輔助氣體與反應氣體的不同配比對碲化鉍基材料刻蝕速度的影響，在該示例中輔助氣體采用氬氣。由圖可知，在反應氣體和輔助氣體的總氣體中，輔助氣體所占的體積比可為16.7%?83.3%，優選為25%?70%。借助于此，可以實現快的刻蝕速度，例如可高達約560nm/分鐘。
[0025]應理解，本發明中，刻蝕氣體除了包含上述氣體以外，也可以包含其它氣體，只要不影響本發明的目的即可。
[0026]本發明中，刻蝕溫度可以為20°C。在一個示例中，刻蝕氣壓為5?30mTorr。在另一個示例中，射頻(RF)功率為:上電極600?1500W。在又一個示例中，射頻(RF)功率為:下電極50?100W。通過對各種氣體配比、氣壓、功率等刻蝕參數的控制及參數之間的不同組合，可獲得較高的刻蝕速度和近乎垂直的刻蝕側壁。
[0027]圖2和圖3分別示出通過本發明兩個示例處理得到的刻蝕