44.Изотропное жидкостное травление кремния.

При изотропном травлении скорость процесса во всех кристаллографических направлениях одинакова. Изотропное травление проводят обычно в кислотных травителях. Этот метод широко используется в следующих целях:

для удаления поверхностного слоя, поврежденного на предыдущих операциях;

сглаживания острых углов, образовавшихся при анизотропном травлении (для предотвращения концентрации напряжений);

сглаживания шероховатостей, образовавшихся после сухого или анизотропного травления;

создания структур в монокристаллических подложках;

создания рельефа в монокристаллических, поликристаллических или аморфных пленках;

определения положения p–n-переходов и дефектов (предварительным изотропным травлением);

утоньшения подложек.

Для изотропного травления кремния наиболее широко используется смесь азотной (HNO3) и плавиковой (HF) кислот. В качестве разбавителя можно добавлять воду, но предпочтительнее добавление уксусной кислоты

(CH3COOH), так как в ней в меньшей степени происходит диссоциация азотной кислоты. При этом сохраняется окислительный потенциал азотной кислоты, который зависит от количества недиссоциированных молекул в широком диапазоне концентраций. Такая травящая система обозначается английской аббревиатурой HNA.

В процессе травления кремния в кислотной среде происходит инжекция дырок в валентную зону кремния окислителем, электрическим полем или их генерация при действии фотонов. Наличие избыточного количества дырок приводит к окислению кремния. В составе HNA роль окислителя выполняет азотная кислота, для этих целей можно также использовать перекись водорода

или бром. Окисленные участки кремния взаимодействуют с OH– группами, и

затем продукты реакции растворяются в HF.

Рассмотрим подробнее описанные реакции. В отсутствие действия фотонов и поля источником дырок служит HNO3:

Дырки в реакции (3.1) генерируются в результате автокаталитического процесса. Образовавшаяся в реакции молекула HNO2 участвует в следующих взаимодействиях с HNO3, что приводит к появлению новых дырок. В реакциях подобного типа следует ожидать наступления так называемого индукционного периода, прежде чем реакция окисления остановится, что происходит после достижения равновесной концентрации HNO2. Такое явление наблюдается при низких концентрациях HNO3.

Группа OH– взаимодействует с атомами кремния с образованием оксида,

при этом выделяется водород:

Плавиковая кислота образует с SiO2 растворимое соединение H2SiF6. В

целом реакция HNA с Si выглядит следующим образом:

Приведенная схема реакции является упрощенной, поскольку здесь принято допущение, что в реакции принимают участие только дырки. В

действительности же в реакции принимают участие и дырки, и электроны.

Механизм участия дырок и электронов в реакции окисления кремния будет раскрыт далее (после рассмотрения модели, описывающей энергетические состояния на интерфейсе «кремний/электролит»).

Кривые равных скоростей изотропного травления кремния. Наиболее детальное исследование процессов изотропного травления кремния было проведено Шварцем и Робинсом в 60 – 70-е гг. ХХ века [8], [9]. Кривые равных скоростей травления, полученные ими для разных концентраций компонентов

травителя, приведены на рис. 3.1. Обычно для приготовления травителя используются 49.2%-й раствор плавиковой кислоты и 69.5%-й - азотной.

Пунктирные кривые соответствуют растворам, в которых в качестве разбавителя применялась вода, сплошные – растворам, в которых в роли разбавителя использована уксусная кислота. Наибольшая скорость травления соответствует соотношению HF:HNO3 2:1. Значение скорости при таком соотношении компонентов травителя примерно в 100 раз больше скорости анизотропного травления. Добавление разбавителя приводит к снижению скорости травления.

Проанализировав кривые, можно выделить основные свойства травящей системы HNA.

1) При высоких концентрациях HF и низких HNO3 кривые равных скоростей травления параллельны оси «HNO3–разбавитель», что соответствует постоянной концентрации HNO3. Следовательно, на этом участке скорость травления определяется содержанием HNO3 в растворе.

Травление при таких концентрациях затруднено. «Индукционный» период процесса в этом случае неопределенный. Кроме того, в результате малой скорости образования оксида поверхность кремния после травления получается неоднородной. Травление ограничивается скоростью образования оксида, поэтому процесс является зависимым от ориентации подложки и чувствительным к концентрации примесей, наличию дефектов и катализаторов (часто используется натриевая селитра). В этом режиме сильно выражено влияние температуры. Измеренная энергия активации реакции составляет от 10 до 20 ккал/моль.

2) При низкой концентрации HF и высокой HNO3 кривые равных скоростей травления параллельны оси «HF–разбавитель». В этом случае скорость травления контролируется способностью HF удалять SiO2 по мере его формирования. Травление в таком режиме изотропное полирующее.

Значение энергии активации 4 ккал/моль соответствует диффузионному ограничению, следовательно, при проведении процесса в этом режиме влияние изменения температуры незначительно.

3) В области наибольших скоростей травления влияние обоих компонентов травителя значительно. В случаях, когда требуется добавка большого количества разбавителя, уксусная кислота не приводит к ослаблению окислительной способности азотной кислоты в отличие от воды.

По этой причине линия постоянной скорости травления проходит так, что концентрация азотной кислоты в широком диапазоне изменения концентрации разбавителя сохраняется постоянной.

4)Вблизи вершины, соответствующей максимальной концентрации

HF, скорость процесса контролируется скоростью поверхностных реакций,

что приводит к образованию шероховатой поверхности, образованию ямок,

острых углов и краев структур. При увеличении концентрации HNO3 вплоть до максимальной, в результате диффузионно контролируемой реакции образуются скругленные углы и края, и скорости травления плоскостей (111)

и (100) становятся одинаковыми (с разницей в 1%).

На рис. 3.2 показано, насколько топология поверхности кремния после травления зависит от состава травящего раствора. В области, соответствующей максимальной скорости травления,

поверхность кремния довольно гладкая,

углы – закругленные. При малых скоростях травления на поверхности образуются неровности.

Зависимость скорости травления от температуры и перемешивания.

Температурная зависимость скорости травления кремния может быть представлена в форме графика Аррениуса (рис. 3.3).

Из приведенной зависимости видно, что с увеличением температуры скорость травления возрастает. На графике имеются два прямолинейных участка. Бόльшая энергия активации соответствует температурам меньше 30

°С, а меньшая – более высоким температурам. Травление при низких температурах предпочтительнее, при этом энергия активации ассоциируется с реакцией окисления. При больших температурах меньшая энергия активации ассоциируется с растворением оксида, скорость процесса ограничена диффузией. В этом случае результатом травления является гладкая поверхность.

При изотропном травлении травитель проникает через отверстия в маске во всех направлениях, подтравливая кремний под краем маски и увеличивая лунку травления одновременно с ее углублением. Если травящий раствор перемешивается, ямка травления получается более симметричной и по форме приближается к части сферы (скорость процесса ограничивают диффузионные процессы, стенки канавки гладкие). Эффект перемешивания иллюстрируется рис. 3.4.

При травлении без перемешивания лунка травления больше напоминает коробку со скругленными углами. Донышко лунки получается шероховатым,

так что можно сделать вывод, что гладкость канавки обеспечивается перемешиванием.

45.Ориентационно-чувствительное анизотропное травление.

Написано буквально все (только про травители вырезал), для ответа нужно меньше. Все не писать!!!

В технологии полупроводниковых приборов широко используют структуры с углублениями и выступами различного профиля, полученными при локальном растворении полупроводниковых пластин в анизотропных травителях. Так, при изготовлении интегральных микросхем V-образные канавки применяют для создания активных элементов и для диэлектрической изоляции компонентов. В углублениях прямоугольного профиля проводят локальное планарное наращивание эпитаксиальных слоев. Канавки разного профиля применяют для химического разделения пластины на чипы. На пластинах GaAs и Si получают дифракционные решетки с различным рельефом. Глубокое анизотропное травление часто используют для формирования механических элементов конструкции датчиков в технологии объемной микромеханики. В зависимости от измеряемых внешних и преобразуемых внутренних параметров механическая часть представляет собой мембрану, балку, «подвесы», «лепестки» или совокупность иных специфических форм, деформирующихся специальным образом под действием внешнего измеряемого воздействия.

Основные требования, предъявляемые к процессу травления для формирования механической части датчика, следующие:

гладкость поверхности или равномерная шероховатость;

равномерность, равнотолщинность элементов (по длине, площади);

воспроизводимость форм и размеров элементов;

отсутствие остаточных механических напряжений и дефектов;

возможность контроля процесса и его окончания.

Для вытравливания необходимой структуры в пластине кремния на ее поверхности формируют маску, защищающую часть кремниевой пластины от воздействия анизотропного травителя. В результате локального анизотропного травления образуется объемная фигура травления, конфигурация которой определяется:

ориентацией исходной пластины кремния;

формой маски для локального травления;

ориентацией маски на поверхности пластины кремния;

типом анизотропного травителя;

концентрацией компонентов травителя;

температурой травителя;

временем травления.

Конкретная огранка фигуры травления определяется не только соотношением скоростей травления в разных кристаллографических направлениях, но и самой формой поверхности травления. Если исходная

поверхность травления выпуклая (пирамида, сфера), то фигуры травления будут образованы преимущественно кристаллографическими плоскостями с большими скоростями травления. Если поверхность травления вогнутая (канавка, лунка), то фигуры травления будут образованы преимущественно кристаллографическими плоскостями с малыми скоростями травления.

Плотность свободных связей (дефектов, обусловленных свободными незавершенными связями граничной кристаллической плоскости) для плоскостей с индексами (100), (110), (111) находится в соотношении 1.00:0.71:0.58. Причина выбора пластин кремния с ориентацией (100) для анизотропного травления заключается в том, что это единственная из основных плоскостей, в которой плоскости (110), (111), (100) и (211) пересекаются с регулярной симметрией. Поэтому ориентация (100) наиболее предпочтительна при травлении глубоких канавок в кремнии. В направлении <100> скорость травления может быть в сотни раз выше, чем в направлении <111>. На рис. 3.5 показан пример профиля канавки, образованной пересечением плоскостей (100) и (111) при травлении подложки кремния с ориентацией (100) в анизотропном травителе.

Технологию жидкостного анизотропного травления впервые применили в 1960-х г. в Bell Laboratories.

Обычно подложка с начальной толщиной от 300 до 500 мкм селективно утончается до образования мембран определенной толщины с прецизионным контролем горизонтальных размеров и контролем толщины с точностью порядка 1 мкм или лучше. Как правило, процедура подготовки пластины и анизотропного травления включает следующие шаги:

окисление;

фотолитографию;

травление оксида в буферном травителе через маску фоторезиста;

удаление фоторезиста;

комплексную очистку (растворы RCA1 и RCA2);

кратковременное погружение в буферный травитель для удаления

естественного оксида;

анизотропное травление.

Анизотропное травление применяется также для формирования канавок в эпитаксиальных слоях кремния. При анизотропном травлении уход края канавки за счет подтрава под маску значительно меньше, чем при изотропном травлении. Таким образом, развитие технологии анизотропного травления решило проблему контроля горизонтальных размеров, которая не была решена при изотропном травлении (рис. 3.6). Точность и воспроизводимость горизонтальных размеров в рисунке маски, полученной на подложке методом фотолитографии, можно контролировать с погрешностью не хуже 0.5 мкм, и анизотропная природа травителей позволяет с такой же точностью контролировать и вертикальный профиль травления. Разработаны и различные методики травления с использованием «стоп»-слоев, необходимые для контроля толщины мембран.

Одним из важных достоинств метода анизотропного травления является высокая точность контроля горизонтальных размеров, сопряженная с глубоким травлением. Однако этот процесс имеет и некоторые недостатки. Скорость травления кремния в большинстве анизотропных травителей невысокая. Даже для быстротравящегося направления <100> она составляет 1 мкм/мин или меньше. Из этого следует, что сквозное травление подложки – очень длительный процесс: для травления подложки толщиной 300 мкм требуется около 5 ч. При этом для достижения указанной скорости травления необходимо подогревать раствор (от 85 до 115 °С), что исключает использование наиболее простых вариантов маски. Скорость травления в анизотропных травителях, как и в изотропных, зависит от температуры. Однако она не является чувствительной к перемешиванию травителя, что рассматривается как большое преимущество.

Анизотропные травители. Анизотропными травителями с преимущественным воздействием на кристаллографические плоскости с малыми индексами в основном являются щелочные растворы KOH, NaOH,

LiOH, CsOH, NH4OH.

При выборе травителя необходимо учитывать различные аспекты:

легкость использования;

токсичность;

необходимо учитывать для воспроизводимого формирования рисунка мембран и других объемных фигур, получаемых в кремнии анизотропным травлением. Для этого ориентируют маску относительно базового среза пластины (<110> для (100) Si).

При правильной ориентации маски в результате анизотропного травления получают геометрические формы, ограниченные совершенными кристаллографическими плоскостями. При разориентации маски относительно направления (110) не воспроизводятся размеры канавки травления, поскольку происходит подтрав под край маски.

Скорость вертикального травления как функция температуры. На рис. 3.10 представлены типичные зависимости в форме Аррениуса для травления кремния в направлениях <100>, <110> и <111> в анизотропных травителях.

Из графиков видно, что температурная зависимость скорости травления довольно сильная и мало зависит от ориентации. Наклон прямых различен для разных кристаллографических плоскостей, причем соотношение углов следующее: (111) > (100) > (110). Более низкая энергия активации на зависимостях Аррениуса соответствует бόльшим скоростям травления. Коэффициент анизотропии (AR – anisotropy ratio):

AR = скорость травления (hkl)1/скорость травления (hkl)2.

Для изотропных травителей коэффициент анизотропии примерно равен 1, в то время как для анизотропных травителей он может быть довольно большим (например, 400/200/1 для (110)/(100)/(111) в 50%-м (по массе)

растворе KOH/H2O при 85 oС). В основном, энергия активации процесса травления в растворе ЭДП меньше, чем в КОН. Плоскость (111) и здесь травится медленнее остальных, но соотношение скоростей травления плоскостей (100) и (110) может быть обратным (например, 50/200/8 в 55%-м (по массе) растворе этилендиамина (ЭД) в воде также при 85o С). Плоскость

(110) травится в восемь раз медленнее, а (111) – в восемь раз быстрее в растворе KOH/H2O, чем в ЭД/H2O, в то время как скорость травления грани (100) не меняется. Использование спиртов и других органических добавок часто изменяет соотношение скоростей травления различных плоскостей кремния. Сейдел обнаружил, что скорость травления уменьшается при добавлении изопропилового спирта в раствор КОН на 20% для направления <100> и почти на 90% для направления <110>. В результате такого уменьшения скорости травления плоскости (110) соотношение скоростей травления для плоскостей (100) и (110) становится обратным.

Анизотропные травители по окончании процесса часто оставляют слишком шероховатую поверхность (рис. 3.11). Чтобы сделать поверхность более гладкой, используется непродолжительное изотропное травление. Необходимо различать макроскопическую и микроскопическую неровности поверхности. Макроскопические неровности возникают в результате травления, когда центр проэкспонированной области травится с более низкой средней скоростью, чем края канавки. При этом углы между боковыми стенками и плоскостью (100) основания углубляются. По указанной причине мембраны или закрепленные с двух сторон балки (микромостики) обычно бывают тоньше у краев, чем в центре структуры. Разница в толщине может быть 1...2 мкм, что довольно заметно при изготовлении структур толщиной 10...20 мкм. Образование выступов линейно увеличивается при увеличении глубины травления, но уменьшается с повышением концентрации КОН. Микроскопически гладкая изначально, зеркальнополированная поверхность может также ухудшаться в результате возникновения в процессе травления микроскопических неровностей. Добавки мышьяка и сурьмы улучшают качество поверхности и повышают скорость травления в КОН.

Из презентации, возможно, не нужно: