基板|《华林科纳-半导体工艺》氧化锌单晶衬底表面差异导致的表面处理方法和外延生长工艺芯片工厂|格雷格·阿博特|得州

书籍：《华林科纳-半导体工艺》
文章：氧化锌单晶衬底表面差异导致的表面处理方法和外延生长工艺的区别
编号：JFKJ-21-1111
作者：华林科纳

引言
研究了氧化锌单晶的表面处理方法与由于表面极性的差异而引起的外延生长过程之间的差异。在o极氧化锌单晶表面下，用氧化锌制成的陶瓷盒进行退火可以有效地获得原子平坦的台阶和阶地表面结构。对于锌极性氧化锌，需要化学蚀刻处理以获得无坑表面。得到了各极性表面具有原子平坦阶地表面结构的氧化锌单晶和均外延薄膜。讨论了极性对表面处理过程和外延生长过程的影响。

实验
在实验中，使用了经过化学机械研磨(CMP)的水热合成ZnO单晶基板。对ZnO的各极性面，实施湿法蚀刻及热处理，为了得到具有原子层水平的平坦性的基板表面进行了研究。之后，在实施了最佳表面处理的基板上，通过脉冲激光堆积(PLD)法，制作了ZnO同质外延薄膜。对于生长条件的最佳化，分析了激光照射ZnO靶时产生的被称为羽流的等离子的发光，调查了O*及Zn*活性种的生成状态，并加以利用。制作的薄膜，使用X射线衍射(XRD)，反射高速电子束衍射(RHEED)，原子力显微镜(AFM)，观察了晶体结构，表面结构或表面形态。
为了研究极性对ZnO薄膜生长的影响，我们首先研究了适用于O极性和Zn极性外延生长的预处理方法。对于氧化物衬底，通常可以通过1000℃左右的高温热处理使衬底平坦化。因此，我们对ZnO衬底进行了同样的热处理。在O极性ZnO衬底上进行了有机清洗和HF蚀刻。实施后，放入ZnO陶瓷盒中，在大气中在950℃下进行了10小时的热处理。热处理后的AFM图像如图1所示。热处理后的O极性ZnO基板表面可以确认相当于1/2单位单元的台阶和平台结构，可以看出平坦性非常高。

文章插图

如下图2显示了热处理时间为30分钟时的退火温度依赖性。在(a)前和在700(b)、800(c)、900℃(d)。退火温度在800℃以上，虽然可以确认台阶结构的出现，但是可以确认析出物。另外，这些步骤是聚束的。因此，我们对退火处理气氛进行了研究。

文章插图

图3显示了在真空室中对Zn极性ZnO衬底进行10分钟退火后，在大气中进行800℃退火后的结果。随着退火时间的增加，出现了步聚束，表面平坦度劣化。将退火温度固定在800℃，使室中的氧气压力发生变化时，氧气压力在1×10―3 Torr以上，表面就会产生粗糙。在氧气气氛中的热处理中，特别是在800℃附近的温度范围内，Zn极性表面的锌析出有报告。15）与该报告相同，通过氧气气氛中的热处理，产生了氧原子的优先脱离，在表面产生了过剩锌的析出。

文章插图

我们研究了通过湿法蚀刻除去最表面的损伤层，得到化学计量的ZnO表面。但是，ZnO的Zn极性表面通过湿法蚀刻容易生成蚀刻坑，16）注意了蚀刻时间和溶液的pH.17）另外，在基板表面被粒子污染的状态下，有机清洗（超声波清洗）对表面的损伤很大，在蚀刻时促进了蚀刻坑的生成。因此，我们研究了表面损伤较少的预清洗。研究的表面处理工艺如下所示。1.UV臭氧处理2.超纯水冲洗3.HF+NH4F(BHF)蚀刻4.超纯水冲洗5.乙醇超声波清洗。清洗前的基板存在CMP研磨造成的损伤层。并且认为其上附着有有机、无机污染物，在这种状态下进行超声波清洗会对基板造成损伤，预计蚀刻坑的初期核将形成。因此，在湿式清洗之前引入了UV臭氧处理。因此，可以期待表面的有机物几乎全部被分解。此外，由于UV臭氧处理可以提高亲水性。使用超纯水进行冲洗处理时的洗净效果也值得期待。在对基板的损伤较小的状态下，可以转移到蚀刻工序。

基板|《华林科纳-半导体工艺》 氧化锌单晶衬底表面差异导致的表面处理方法和外延生长工艺

基板|《华林科纳-半导体工艺》氧化锌单晶衬底表面差异导致的表面处理方法和外延生长工艺