摘要
单晶蓝宝石是MEMS器件和LED发光器件中主流的衬底材料，其湿法刻蚀工艺具有加工快速、表面优质和成本低廉等特点。蓝宝石作为典型的三方晶系材料，其原子种类、晶体结构和刻蚀特性都较为复杂。本文将以半球实验和晶片实验为基础，重点研究蓝宝石晶体在浓硫酸与磷酸混合溶液中的各向异性湿法刻蚀特性和表面形貌特征。论文主要内容如下: 首先，基于蓝宝石在强酸溶液中的各向异性湿法刻蚀特性，以蓝宝石半球为研究对象开展了五种刻蚀条件(刻蚀温度:236℃、223℃和202℃；刻蚀溶液∶H2SO4∶H3PO4=1∶1、3∶1和6∶1)下的刻蚀实验，建立了包含所有晶向的蓝宝石刻蚀速率工艺数据库。随后重点分析了蓝宝石各向异性刻蚀速率的特征规律，包括刻蚀速率快慢区的划分、极大值与极小值的位置分布和刻蚀速率关于晶体结构的对称特点等。 其次，以c(0001)面晶片为研究对象，获得了多种掩模作用下的矩形凹槽、凸台凹槽和微型阵列等刻蚀结构。随后基于简化Wulff-Jaccodine(WJ)方法对不同转角的矩形凹槽进行了计算，并将侧壁中的稳态结构面和暂态结构面都标记在全晶向刻蚀速率球上。然后针对<11-20>和<1-100>两个典型方向的截面刻蚀速率，基于掩模作用下凸角或凹角处形貌演化规则，探究了多边形凹槽和凸台等复杂刻蚀形貌的演化规律。 再次，通过不同刻蚀温度条件下的全晶向刻蚀速率计算了主要晶体结构表面的激活能与反应频率因子，从原子能量的角度解释了蓝宝石晶体刻蚀速率的各向异性；基于简化WJ方法对不同浓度条件下的矩形凹槽进行计算，得到了侧壁特征结构面倾角相对于长矩形凹槽转角的变化关系，有助于缩短图案化蓝宝石衬底的设计周期。 最后，基于两个高稳定性的表面a(11-23)和m(1-100)，对主要切割晶面{1-10h}和{11-2k}进行了台阶划分，探究了蓝宝石晶体微观表面原子排列与宏观各向异性刻蚀特性的关系。随后根据原子之间化学键的连接特点，对几个主要结构面的原子团进行了分类，分析了不同类型的原子团在晶面刻蚀过程中的作用；然后利用显微镜观察了不同刻蚀条件下的蓝宝石半球表面的微观形貌，并在原子层面上解释了蓝宝石c面上三角形金字塔小丘的形成机制。
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