基于划痕图案化电化学刻蚀的碳化硅微结构选择性制备研究

为解决SiC材料微加工难题，研究人员开发了一种结合金刚石划痕与HF酸电化学刻蚀的简易方法，成功制备出边缘清晰的SiC微图案。通过SEM、AFM等技术证实划痕力可调控图案宽度，结合TEM与COMSOL模拟揭示了非晶化诱导电场重分布的机制，为SiC在光电子和MEMS器件中的应用提供了新思路。

　　

碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料的代表，因其卓越的耐高温、耐高压性能以及宽禁带特性，在电力电子和射频器件领域展现出巨大潜力。然而，这种"硬汉"材料却给科学家们出了道难题——极高的化学惰性使得传统湿法刻蚀技术几乎对其束手无策。当前主流的等离子体刻蚀虽能实现微纳加工，但设备成本高昂且易产生表面损伤。如何在保证加工精度的同时实现低成本、高效率的SiC微结构制备，成为制约其在高性能MEMS和光电器件中应用的关键瓶颈。

加拿大麦克马斯特大学（McMaster University）的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表了一项创新研究，他们巧妙地将机械划痕与电化学刻蚀相结合，开发出了一种"先划后蚀"的简易加工策略。研究人员使用金刚石探针在4H-SiC表面预先制造划痕，随后在氢氟酸（HF）溶液中进行电化学刻蚀，成功实现了分辨率达微米级的图案化加工。通过系统表征和模拟分析，他们首次揭示了机械划痕诱导的非晶化层如何通过改变局域电场分布来实现选择性刻蚀的物理机制。

研究采用了多尺度表征技术体系：通过安东帕Revetest划痕测试仪控制不同载荷（1-10N）制造表面缺陷；扫描电镜（SEM）和共聚焦显微镜观察刻蚀形貌；原子力显微镜（AFM）量化划痕尺寸与载荷关系；透射电镜（TEM）解析划痕区的非晶化结构；结合COMSOL多物理场模拟电场分布变化。实验选用氮掺杂浓度10¹⁸ cm^?3的4H-SiC晶圆，经RCA标准清洗后作为基底材料。

【选择性微图案形成】章节显示，未经划痕处理的区域在电化学刻蚀后形成典型多孔结构，而划痕区域却保持平整表面，边界锐利度达亚微米级。AFM测量证实划痕宽度与施加载荷呈线性相关（R²>0.98），这意味着通过简单调节划痕参数即可精确控制最终图案尺寸。

【形成机制】部分通过TEM观察到划痕区存在5-8nm厚的非晶化过渡层，COMSOL模拟显示该区域电场强度比晶区高2-3个数量级。这种电场增强效应导致HF电解液优先在缺陷位置发生氧化还原反应，从而实现"自对准"的选择性刻蚀。研究人员特别指出，该方法区别于传统的光刻辅助工艺，无需掩模制备和复杂的光刻流程。

在结论部分，作者强调该技术突破了SiC微加工对昂贵设备依赖的局限，仅需划痕仪和常规电化学装置即可实现微米级加工。其重要意义在于：①为SiC MEMS传感器和功率器件的微制造提供了新方案；②提出的机械-电化学协同作用机制可拓展至其他宽禁带半导体加工；③非晶化调控电场的发现为新型器件设计提供了理论依据。论文同时指出，未来需进一步优化划痕参数与电解液配比的协同效应，以提升图案的分辨率和深宽比控制能力。