精制GaN衬底减薄

改用氢基等离子体可确保GaN衬底的高速蚀刻

日本大阪大学的工程师声称，通过氢基等离子体，取得了GaN衬底减薄的新突破。

该团队技术的蚀刻速率高达4 µm/分钟，为减薄垂直功率器件的衬底提供了一种有前景的方法。此举是为了降低垂直器件的导通电阻，使其能够参与竞争，从而得以在电动汽车中部署。

这一方法由大阪大学团队首创，是一种有力的替代方案，尤其针对现有机械加工工艺，例如研磨和抛光，当前这两种工艺都用于减薄衬底。针对硅功率器件的衬底减薄，这些机械方法效果很好，但用于SiC和GaN等器件时却很艰难，因为会出现裂纹、碎裂和翘曲等问题。

为了减薄GaN衬底，大阪大学的工程师使用了一种方法，名为等离子体化学汽化加工(PCVM)，工程师一直在使用和改进这种方法，这个过程已持续了25年以上。

团队发言人Yasuhisa Sano说道，“最初，我们加工硅晶圆，SOI晶圆和硅X射线反射镜，用于同步加速器辐射。”大约15年前，团队开始加工SiC衬底，近年来开始加工GaN和Ga₂O₃衬底。

PCVM具备一个显著特征，即使用大气压几十分之一的等离子体压力，这可确保气体分子平均路径短，离子能量低。因此，活性种不是离子，而是中性自由基，不会破坏加工表面的原子排列，也不会使衬底翘曲。

早在2021年，据Sano和同事报告，利用SF6气体和PCVM，可以15 µm/分钟的速度对2英寸SiC衬底进行减薄。不幸的是，这种方法无法直接应用于GaN，因为SF6气体不能确保蚀刻。氯基气体是SF6气体明显的竞争者，但氯基气体也不适合，因为其具有腐蚀性，可能会损坏GaN器件表面。

这些问题促使该团队考虑使用氢气。在GaN的HVPE生长中使用氢气，并排出气体双甘烷(Ga₂H₆)，说明这种方法可能会成功。

涉及氢的研究始于自制的13.56 MHz射频等离子体生成器，该生成器包含外径2毫米、孔径0.3毫米的管状电极，和厚度0.4毫米、直径2英寸的GaN衬底。

最初，团队研究了5分钟后去除率的变化，使用的氦气与氢气的比例为9:1，流速为100 sccm，射频功率为130 W、150 W、180 W和200 W。该实验还考虑了衬底温度，确定高功率是提高去除率的主要驱动力，因为高功率提升了氢自由基的数量。

在功率固定为180 W的条件下，Sano和同事仍然考虑了气体流速的影响。他们比较了100 sccm、500 sccm和800 sccm流速下的蚀刻速率，这次氦气与氢气的比例为19:1，初步调查显示，气体流速可加快进程。流速最快时，蚀刻速度达到4 µm/分钟，但会影响表面质量，形成所谓的梨皮表面（见上图）。

该团队将这种形态归因于镓的球形沉积物，将表面加热至40°C，然后擦拭，便可去除。但还有一个更优雅的解决方案：在工艺中添加氧气。根据原子力显微镜，氧气的引入可确保表面光滑，粗糙度仅为0.9 nm。

萨诺表示，为获得良好表面粗糙度，团队目前正在尝试创建工艺条件。“同时，我们正在努力扩大工艺区域，以使“我们的技术”更贴近实际应用。”

参考文献

Y. Sano et al. Appl Phys. Express 16 045504 (2023)

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