引言

氧化鋅是最廣泛研究的纖鋅礦半導體之一。氧化鋅不僅作為單晶，而且以多晶薄膜的形式。其顯著的性能，如寬直接帶隙3.37 eV，大結合強度內聚能1.89 eV，熔點2248 K，高激子結合能60 meV，即使在高溫下也能產生有效的激子光學躍遷，使其對電子和光電應用很有吸引力。此外，氧化鋅還在納米結構氣體以及化學和生物傳感器中發現了有前途的應用。

本文報道了纖鋅礦體氧化鋅單晶的氧極面和鋅極面的優化濕化學工藝。測試不同的溶液以實現可控蝕刻。對于O-極性氧化鋅表面，使用H3PO4/CH3COOH/H2O的酸混合物作為蝕刻劑，觀察到3.8 m/min的受控蝕刻速率。使用5% NH4Cl水溶液可以獲得具有中等蝕刻速率和高再現性的O-極性表面的精細圖案。相比之下，鋅-極性氧化鋅表面在鹽酸溶液中的腐蝕速度明顯較慢，并表現出很強的酸堿度依賴性。然而，控制酸堿度可以實現鋅極性表面的可重復蝕刻。

實驗

單晶最初被切成5毫米5毫米的片，隨后在丙酮、異丙醇中清洗，最后在去離子水中漂洗。此后，樣品在熱板上加熱5分鐘，以在160℃除去任何殘留的水。然后，在氧化鋅上旋涂約1.5 μm厚的常規正性光刻膠膜。在熱板上于105℃預烘焙樣品1分鐘后，進行標準光刻以制備尺寸從600米600米到20米20米的正方形測試圖案，用于檢查蝕刻工藝。此后，曝光的抗蝕劑膜以這樣的方式顯影，使得只有方形圖案不受PR覆蓋的影響。之后，在120℃下進行10分鐘的后烘焙步驟。然后，使用不同的化學蝕刻劑在室溫下蝕刻橫向圖案化的樣品。本研究進行了兩個系列的濕蝕刻實驗，以檢測不同蝕刻劑對O-極性和Zn-極性ZnO襯底的影響。

結果和討論

對于不同的蝕刻劑，系統地研究了零極性氧化鋅單晶襯底的蝕刻特性(見表1)。圖1顯示了使用H3PO4/CH3COOH/H2溶液1:1:30，pH = 1.3的混合物對O-極性氧化鋅表面的蝕刻深度與蝕刻時間的關系.圖2中的誤差線。1a示出了蝕刻深度測量不確定度的標準偏差。此外，蝕刻表面均方根粗糙度隨蝕刻時間的變化如圖2所示。1b . 如圖2所示。1，粗糙度隨著蝕刻深度線性增加。

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在整個蝕刻時間內。必須注意的是，在最大可行蝕刻時間沒有觀察到蝕刻深度飽和，盡管去除了20 μm的大量材料。這表明在3.6±0.15米/分鐘的恒定平均蝕刻速率下具有高再現性的可控蝕刻工藝。這種高蝕刻速率的觀察可以通過將O-極性ZnO晶體視為具有沿著c軸的O和Zn原子層的交替序列的層狀化合物來描述:首先，頂層中的O原子由于O-極性表面上懸掛鍵電子的存在而立即與電子尋找劑如蝕刻劑中的氧鎓離子H3O+反應，并且材料的蝕刻開始。當鋅氧鍵斷裂時，蝕刻劑中的氧離子H3O+繼續與氧原子反應，暴露臺階邊緣或暴露的鋅原子層下的位錯缺陷上的懸空鍵。這樣，對于下一個交替的氧化鋅晶體層，蝕刻繼續進行，導致快速的垂直蝕刻速率與緩慢的橫向蝕刻速率相結合。

圖6顯示了在固定的酸堿度為4的鹽酸水溶液中蝕刻后鋅極性表面的掃描電鏡圖像。從圖中可以看出，蝕刻表面呈現出紋理，該紋理不是隨機的，而是顯示出具有抑制橫向蝕刻的六邊形取向的趨勢。這里，觀察到蝕刻5小時的鋅極性氧化鋅樣品的垂直蝕刻速率與橫向蝕刻速率之比為4∶1。此外，由于氧化鋅的纖鋅礦結構，襯底通常表現出明顯的穿透位錯密度和表面缺陷，這解釋了六邊形織構的形成，如先前的研究中以六邊形凹坑的形式所見.20，21觀察到的織構顯示出比在O極表面上觀察到的金字塔更平坦的刻面角。

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總結

本文研究了O極和Zn極氧化鋅單晶的濕法化學腐蝕特性。發現氧化鋅的蝕刻速率和表面形態取決于極性以及蝕刻劑。對于O極性表面，通過分別使用適當組成比例的稀酸混合物H3PO4/CH3COOH/H2O溶液或弱酸NH4Cl溶液，可以高再現性地獲得具有高和中等蝕刻速率的受控工藝。對于化學惰性更強的鋅極性表面，其特征在于鹽酸水溶液中的蝕刻過程，其表現出強烈的酸堿度依賴性。對于pH值為4的情況，該工藝可以產生高度可再現的蝕刻結果，適用于微觀和納米結構的橫向定義。盡管由于該工藝依賴于氧離子與暴露在缺陷或側壁面上的氧原子的反應，因此實現了垂直蝕刻輪廓。