【会员论文】南方科技大学——通过高效大气等离子体蚀刻实现原子尺度的 β-Ga₂O₃ 光滑表面制造

        近期，由南方科技大学的研究团队在学术期刊 International Journal of Extreme Manufacturing 发布了一篇名为 Towards atomic-scale smooth surface manufacturing of β-Ga₂O₃ via highly efficient atmospheric plasma etching（通过高效大气等离子体蚀刻实现原子尺度的 β-Ga₂O₃ 光滑表面制造）的文章。

摘要

        由于 β-Ga₂O₃ 是一种典型的加工难度高的材料，因此实现原子级平滑 β-Ga₂O₃ 表面的高效制造相当具有挑战性。在这项研究中，提出了一种新型的等离子体干法刻蚀方法，称为基于等离子体的原子选择性刻蚀 (PASE)，以实现 β-Ga₂O₃ 的高效、原子级和无损伤抛光。等离子体通过感应耦合原理激发，四氟化碳被用作主要反应气体来蚀刻 β-Ga₂O₃。β-Ga₂O₃ 的 PASE 抛光核心是显着的横向蚀刻效应，这由表面的内在特性和外在温度条件共同保证。正如密度泛函理论计算所揭示的，台阶边缘（2.36 eV）和台阶平面（4.37 eV）的原子蚀刻能垒的内在差异决定了它们的蚀刻速率差异，并且可以通过增加外在温度来大大扩大它们的蚀刻速率差异。基于横向蚀刻效应的 β-Ga₂O₃ 抛光在蚀刻实验中得到了进一步验证 β-Ga₂O₃ (001) 衬底的 Sa 粗糙度在 120 秒内从 14.8 nm 降低到 0.057 nm，相应的材料去除率高达 20.96 μm·min⁻¹。抛光的 β-Ga₂O₃ 显示出显着改善的晶体质量和光致发光强度，并且 PASE 的抛光效果独立于 β-Ga₂O₃ 的晶面。此外，首次深入研究了由温度决定并对 β-Ga₂O₃ 表面状态影响很大的化学蚀刻和物理重建之间的竞争。这些发现不仅证明了通过大气等离子体蚀刻对 β-Ga₂O₃ 进行高效、高质量的抛光，而且对指导未来基于等离子体的 β-Ga₂O₃ 表面制造具有重要意义。

图 1. 大气等离子体装置。(a) ICP 处理系统示意图。(b) Ar-O₂-CF₄ 等离子体的光学图像，β-Ga₂O₃ 衬底正在被蚀刻。

图 2. 等离子体诊断结果。(a) 不同射频功率（Q_Ar = 18.0/1.5 slm、Q_O2 = 20.0 sccm、Q_CF4 = 60.0 sccm 和 D = 10 mm）下的温度变化，其中插图是红外热成像仪在 600 W 下拍摄的温度分布图像。(b) Ar 等离子体（Q_Ar = 18.0/1.5 slm）、Ar-O2 等离子体（Q_Ar = 18.0/1.5 slm 和 Q_O2 = 20.0 sccm）以及 Ar-O₂-CF₄ 等离子体（Q_Ar = 18.0/1.5 slm、Q_O2 = 20.0 sccm 和 Q_CF4 = 60.0 sccm）的 OES 光谱，其中采用的射频功率为 600 W。

DOI：

doi.org/10.1088/2631-7990/ad8711