氮化镓微纳结构各向异性湿法刻蚀工艺机理与界面演化模型研究

The wet etching process of gallium nitride (GaN) as the representative of the III-nitride is the essential fabrication method in current research for micro-structure. This study focuses on the wet anisotropic etching process of gallium nitride crystal microstructure. In the experimental aspect, we proposed a new spherical annular zone experiment on self-supporting substrate to measure anisotropy properties under different etching conditions. The experiment can achieve accurate determination of anisotropy characteristics of GaN crystal family. Theoretically, based on step flow theory, the etching process is analyzed from the atomic point of view, explaining the role of different types of surface atoms in the etching process on polar and non-polar crystal planes, and exploring the evolution of the etched facets and the mechanism of microscopic morphology. By using the proposed evolutionary Monte Carlo algorithm, wet etching and surface topography can be simulated. On basis of surface activation energy and atomistic activation energy, the mechanism of crystal anisotropy is proposed. Finally, the numerical simulation method is developed in order to predict and optimize the complex structure profile evolution for the fabrication process.

以氮化镓GaN为代表的三族氮化物的MEMS/NEMS微结构工艺是当前研究前沿,本项研究以氮化镓晶体微结构湿法各向异性刻蚀工艺为对象，实验方面提出自支撑衬底上的球面环带法实验获取不同湿法刻蚀条件下的各向异性刻蚀速率和结构特征，精确测定晶面族的各向异性特征规律。理论方面基于台阶流理论从原子角度分析刻蚀过程，探索不同类型的原子在极性、半极性、非极性晶面刻蚀过程中的作用，形成刻蚀表面演化及微观形貌规律，基于表面激活能理论和原子间键能关系提出GaN晶体刻蚀各向异性的作用机理。实现进化蒙特卡罗算法模拟GaN各切向晶面湿法刻蚀表面形貌与结构在刻蚀过程中的演化，为工艺参数优化和微结构的设计提供计算方法。

第三代半导体材料氮化镓GaN为代表的三族氮化物微结构工艺是研究前沿和热点。氮化镓在电源转换效率和功率密度上实现了性能飞跃，具有直接带隙宽、原子键强、稳定性特点，是研制高效率、高功率、高工作温度微机电系统器件的新型半导体材料。开展氮化镓衬底加工微纳米结构工艺基础机理及工艺设计工具的基础研究，对高端氮化物器件设计与制造具有重要意义。.实验方面，课题利用聚焦离子束(FIB)溅射测试试件，测量了GaN晶体在AZ400K、高温磷酸典型湿法刻蚀工艺系统下刻蚀速率分布，获得了GaN各向异性以及刻蚀表面形貌、刻蚀中暂态和稳态结构面分布。实验测试了GaN刻蚀工艺的不同温度、浓度的速率相关性基础实验数据，同时明确了与GaN晶体生长相关的蓝宝石晶体的湿法刻蚀规律。.基础理论方面，课题根据实验数据分布确立了GaN晶面原子排列方式和宏观晶面刻蚀速率关联。提出了从微观反应机制揭示GaN刻蚀的各向异性规律方法，将GaN和蓝宝石晶胞单元在台阶和台地的移除视为在相应晶体单元中发生的逐渐刻蚀过程。在刻蚀结界面随时间演化建模中，根据晶面位置对不同的单元类型进行分类和分配去除速率。针对台阶处、台阶的自由边缘、台地和台地的限制边缘原子排列单元，推导了晶带的不同表面取向特定蚀刻和生长速率的表达式。.应用验证方面，课题在GaN、蓝宝石晶体分别建立了基于原子模型的蒙特卡罗和元胞自动机基础模型，实现氮化镓、蓝宝石晶体湿法刻蚀界面演化以及加工表面形貌变化计算工具，开发了基于灰度图的FIB溅射试件复杂曲面的优化算法。.本项研究在实验和理论上探究了GaN各向异性湿法刻蚀的特征和机制，解释了表面形貌的成因。建立的GaN工艺模型能综合集成束流加工工艺、蓝宝石晶体材料制造，实现研究结果在不同材料方面、加工工艺方法集成的三维形貌的工艺模拟，对III族氮化物微结构制造，提高微纳结构工艺设计、参数优化及表面质量控制具有很好的理论价值且广阔应用前景。