5. Технология анизотропного травления кремния: травители, маски, «стоп-слои».

Анизотропное травление кремния — это процесс, в котором травление происходит с различной скоростью в зависимости от кристаллографической ориентации материала. Этот метод широко используется в микросистемной технике для создания микроструктур с определёнными геометрическими формами (например, канавок, отверстий, мембран и других структур).

Принципы анизотропного травления кремния

1. Кристаллографическая анизотропия:

   • Скорость травления различна для разных кристаллографических плоскостей:

     • (100): Высокая скорость травления.

     • (110): Средняя скорость травления.

     • (111): Очень низкая скорость травления (практически пассивируется).

   • Эта разница позволяет формировать поверхности с наклонными гранями, ориентированными вдоль плоскостей (111).

2. Анизотропность травителей:

   • Используются химические растворы, избирательно взаимодействующие с атомами кремния в зависимости от их ориентации.

Типичные травители для анизотропного травления

1. Щелочные растворы:

   • KOH (гидроксид калия):

     • Наиболее распространённый травитель.

     • Рабочая температура: 70–90 °C.

     • Добавки, такие как изопропанол, могут уменьшать шероховатость поверхности.

   • TMAH (триметиламмоний гидроксид):

     • Экологически более безопасен, чем KOH.

     • Чаще используется в современных процессах.

   • NaOH, LiOH:

     • Используются реже из-за загрязнений, которые они могут вносить в подложку.

2. Этилендиамин-цинк-йодид (EDP):

   • Менее токсичен, чем щелочные травители, но все же реже используется из-за сложности обращения.

3. Кислотные травители:

   • HF (плавиковая кислота) в сочетании с другими веществами используется для обработки оксидных слоёв, но не для анизотропного травления самого кремния.

Роль масок при анизотропном травлении

Маски используются для защиты определённых областей подложки от травления и должны обладать высокой химической стойкостью к применяемым травителям.

1. Материалы масок:

   • Оксид кремния (SiO₂):

     • Эффективен в щелочных травителях.

     • Наносится методом термического окисления.

   • Нитрид кремния (Si₃N₄):

     • Более устойчив, чем SiO₂, особенно в растворах KOH.

     • Чаще используется для длительного травления.

   • Металлы (например, золото, алюминий):

     • Иногда применяются как маски, но в большинстве случаев их заменяют диэлектриками.

2. Требования к маскам:

   • Толщина маски должна быть достаточной, чтобы выдерживать весь процесс травления.

   • Маска должна быть герметичной, чтобы исключить подтравливание краёв.

Стоп-слои при анизотропном травлении

Стоп-слои (слои остановки) используются для контроля глубины травления и предотвращения травления в определённых областях.

1. Эпитаксиальный слой:

   • Высокодопированный эпитаксиальный слой с низкой скоростью травления.

   • Позволяет останавливать процесс травления при достижении заданной глубины.

2. Бор-легированный слой (борстоп):

   • Бор-легированные области кремния (с концентрацией выше 101910^{19}1019 атомов/см³) практически не травятся в растворах KOH.

   • Используется для формирования мембран и других структур.

3. Оксидные или нитридные слои:

   • Служат дополнительной защитой от травления и могут быть расположены под маской или на обратной стороне подложки.

Характерные структуры, создаваемые анизотропным травлением

1. Канавки с наклонными стенками:

   • При травлении кремния с ориент. (100) образуются наклонные стенки под углом 54,7°.

2. Сквозные отверстия:

   • Используются в микрофлюидике и для механических соединений.

3. Мембраны:

   • Создаются путём травления с одной стороны до борстоп-слоя или эпитаксиального слоя.

4. Пирамидальные структуры:

   • Получаются при травлении отверстий через маску в пластине с ориентацией (100).

Преимущества

Ограничения

Высокая точность геометрии: Позволяет создавать структуры с чётко определёнными гранями и углами. Низкая стоимость: Щелочные травители доступны и недороги. Избирательность: Высокая избирательность между кристаллографическими плоскостями и материалами масок. Совместимость с другими процессами: Легко интегрируется в технологию МЭМС.

Зависимость от ориентации подложки: Только пластины с определёнными ориентациями (например, (100) или (110)) подходят для создания нужных структур. Ограниченная точность вертикальных граней: Невозможно получить строго вертикальные стенки, поскольку плоскость (111) всегда остаётся. Чувствительность к дефектам маски: Любой дефект маски приведёт к появлению нежелательных структур. Риск загрязнений: Некоторые травители, такие как KOH, могут оставлять примеси на поверхности, что нежелательно в микроэлектронике.