《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的区别
书籍：[《华林科纳-半导体工艺》]
文章：Zinc oxide single-crystalline substrates exhibit distinct surface characteristics, which result in differences between the surface treatment methods and epitaxial growth techniques.
编号：JFKJ-21-1111
著者：W.L. Wonderley
研究者探讨了氧化锌单晶表面积分处理方法与其周围环境差异对外延生长过程的影响机制。通过对o极氧化锌单晶表面积分施加退火作用，在特定陶瓷封装下可实现原子层级台阶和阶地界面的精确构造。而对于ZnO类型的晶体，则需通过化学刻蚀手段获得无缺陷界面。该研究具体实现了不同电极性晶体表面积分的具体构造，并成功制备出均质外延膜层。本文重点论述了电极性对表面积分处理工艺及外延生长调控的关键作用机制
实验部分
结果与讨论部分
如图2所示，在热处理时间为3分钟后展示了退火温度随时间的变化趋势。在此之前以及在715（a）、815（b）、915（c）处观察到了明显的阶段变化特征。这些阶段变化特征表明材料内部存在不同的相变过程，并且这些过程是连续且相互关联的。因此我们进一步研究了不同条件下的退火气氛设置对其影响
图3报道了真空环境中对具有Zn极性的ZnO基底进行10分钟退火后，在大气环境下加热至800℃处理的结果。研究发现，在退火时间增加的过程中逐渐形成了聚集束（clusters），而表面对比实验条件下的平坦度显著下降。当固定退火温度于800℃时，在其中氧气分压高于1 \times 10^{-3} Torr的情况下，则会导致表面产生粗糙现象。进一步研究表明，在氧气气氛中进行热处理过程中尤其是在800℃附近的关键温度范围内,Zn极性表面对锌元素进行了富锌析出（doping）。与上述报告所得结论一致的是,通过采用氧气气氛中的热处理工艺,不仅实现了氧原子的优先脱逸（evaporation）,而且在表面对比实验条件下发生了富锌析出现象
本研究探究了通过湿法蚀刻去除ZnO表面的最薄损伤层的方法，并成功制备出化学计量级ZnO表面。然而，在ZnO具有极性表面的情况下，在使用湿法蚀刻时容易产生蚀刻坑[16]；此外，在基板表面被有机物污染的情况下进行超声波清洗可能导致更大的污染扩散[17]。因此，在进行有机物超声波清洗之前实施UV臭氧预处理显得尤为重要[18]。基于此原则设计的表面处理工艺如下：首先对基板进行UV臭氧处理以消除其原有的损伤层；随后依次进行超纯水冲洗、HF+NH4F(BHF)腐蚀以及最终的乙醇超声波清洗[19]。值得注意的是，在整个工艺中始终未对基板施加额外负载以防止其状态发生变化[20]
图5展示了不同蚀刻时间对表面RMS粗糙度的影响。经过研磨处理后的ZnO基板变得较为平滑且具有低RMS值；然而，在进行蚀刻后会形成台阶结构并导致RMS值上升。尽管在1至10分钟的时间范围内,RMS值没有明显的变动,但在腐蚀时间超过10分钟后,RMS再次开始上升,这一现象被归因于整个表面粗糙度的变化。因此我们探索了一种无需产生腐蚀坑就能实现均质结构的方法
讨论和总结