基于BCl3-Ar循环的4H-SiC原子层刻蚀系统开发：实现高精度、低损伤与表面修复功能

《Results in Engineering》：Development of a low-damage atomic layer etching system for SiC with high precision and enhanced surface quality

本研究针对SiC器件制造中传统ICP刻蚀易诱发晶格损伤、表面粗糙度增加及微沟槽等问题，开发了一种新型BCl3-Ar循环的4H-SiC原子层刻蚀（ALE）系统。通过系统研究改性步骤与刻蚀步骤的自限性机制，明确了ICP功率、偏压功率、气体流量等参数的工艺窗口，获得4.8 ?/cycle的刻蚀速率（当前SiC ALE最高水平之一）。尤为重要的是，该技术可在3次循环后将ICP刻蚀后的SiC表面粗糙度降至约1 ?，显著修复侧壁条纹与微沟槽，为微电子与光电器件的高精度加工提供新方案。

　　

在新能源汽车、高压电网等领域的快速发展推动下，对耐高温、耐高压的第三代半导体材料碳化硅（SiC）的需求日益增长。然而，SiC器件制造中的关键工艺——刻蚀技术却面临严峻挑战：传统的感应耦合等离子体刻蚀（ICP etching）虽能实现高速率刻蚀，但高能离子轰击极易导致晶格损伤、表面粗糙度恶化，并形成微沟槽等缺陷，严重影响器件性能。尽管原子层刻蚀（Atomic Layer Etching, ALE）技术因其原子级精度和低损伤特性被视为理想替代方案，但现有SiC ALE研究仍存在刻蚀速率偏低、工艺窗口不明确、表面修复能力未经验证等问题。

为解决上述难题，江苏师范大学物理与电子工程学院的研究团队在《Results in Engineering》上发表论文，报道了一种基于BCl₃-Ar循环的新型4H-SiC ALE系统。该研究通过系统性优化改性步骤（BCl₃等离子体）与刻蚀步骤（Ar离子轰击）的参数，首次实现了高刻蚀速率与原子级表面修复的协同突破。关键技术方法包括：利用扫描电子显微镜（SEM）精确测量刻蚀深度并计算刻蚀速率（Etch Rate, ER）；通过原子力显微镜（AFM）定量分析表面粗糙度（R_q和R_a）；结合能量色散X射线光谱（EDS）表征改性层元素分布，从而全面揭示自限性机制与表面修复效果。

3.1 改性步骤机制

研究团队首先通过控制改性步骤参数（ICP功率、BCl₃流量、压力、时间），发现当ICP功率达到300 W、BCl₃流量为150 SCCM、压力80 mTorr、时间10秒时，改性层厚度稳定在4.8 ?，进入自限性窗口（图2）。值得注意的是，当ICP功率超过300 W时，由于光刻胶（PR）与BCl₃反应生成钝化层（图3），反而抑制刻蚀速率，揭示了工艺参数对表面化学状态的敏感影响。

3.2 刻蚀步骤机制

在刻蚀步骤中，偏压功率为9–15 W、ICP功率150–250 W时，Ar离子能量恰好能移除改性层而不损伤底层SiC，使刻蚀速率稳定在4.8 ?/cycle（图4）。研究还发现，Ar离子轰击时间超过50秒后，刻蚀深度不再增加，进一步验证了自限性特性。通过分析直流偏压（V_dc）与离子能量分布的关系，明确了低能离子轰击对选择性刻蚀的关键作用。

3.3 系统表面修复功能

针对ICP刻蚀后SiC表面粗糙度恶化的问题（未图案化SiC的R_q达5.8 ?），经3次ALE循环后，R_q降至1.79 ?（降幅69%）；10次循环后进一步降至1.32 ?（图5）。对于图案化SiC，ALE处理显著消除了侧壁条纹和角落微沟槽（图6），底部表面粗糙度从8.97 ?降至1.36 ?（降幅85%，图7）。这种修复效应源于ALE循环中凸起部位优先被改性并刻蚀，通过多次循环逐步实现表面平滑化。

4. 总结与讨论

本研究首次系统建立了BCl₃-Ar体系SiC ALE的完整工艺窗口，实现了4.8 ?/cycle的高刻蚀速率与原子级表面修复功能的统一。该技术不仅克服了传统ICP刻蚀的损伤问题，更通过自限性控制保证了工艺的可重复性与均匀性。尽管表面化学态分析仍需借助X射线光电子能谱（XPS）等深入探索，但本研究为SiC功率器件、微波射频器件等高端应用提供了可靠的原子级加工方案，有望推动第三代半导体在5G通信、智能电网等领域的产业化进程。