1.4.3. Хімічна обробка
До хімічної обробки поверхні напівпровідників відносять хімічне та електрохімічне травлення, яке проводять з метою видалення пошкодженого при механічному оброблюванні поверхневого шару напівпровідника. З цією метою можна використовувати й термічне травлення.
Хімічне оброблювання поверхні полягає в розчиненні матеріалу напівпровідника хімічними реагентами. У реакції хімічного травлення беруть участь декілька видів взаємодії хімічних реагентів з речовиною напівпровідника: адсорбція молекул травника на поверхні напівпровідника, їх хімічна взаємодія з атомами напівпровідника (окиснення), розчинення продуктів реакції і видалення їх з поверхні. При цьому важливу роль відіграють процеси переносу реагентів до поверхні і продуктів реакції від поверхні, що відбуваються дифузійним шляхом. Тому обмежити процес хімічного травлення поверхні напівпровідника може будь-який з названих видів взаємодії (дифузія реагентів до поверхні, окиснення поверхні, розчинення окисів, дифузія розчинених окисів від поверхні).
Відзначимо, що інтенсивність протікання різних фізико-хімічних процесів, які визначають процес хімічного травлення поверхні напівпровідника, істотно залежить від впливу ряду зовнішніх факторів. Наприклад, дифузія розчинених окисів від поверхні залежить від енергії активації процесу їх розчинення, від температури та перемішування розчину. На процес травлення суттєво впливає адсорбція поверхнею йонів деяких домішок з розчину. Наприклад, адсорбція йонів галогенідів калію на германій підвищує швидкість травлення. Домішки, які адсорбуються поверхнею напівпровідника з кислотних або лужних травників, можуть утворювати покриття поверхні товщиною більшою, ніж моноатомний шар. Такі суцільні адсорбовані шари на поверхні утворюються у випадку адсорбції домішкових йонізованих атомів. Аналогічні шари можуть утворюватися на поверхні й у випадку адсорбції нейтральних атомів. Тип провідності кристала не впливає на величину адсорбції домішок з травника.
Отже, оскільки в травниках завжди є досить велика кількість домішок атомів різних елементів, то на протравлених поверхнях напівпровідникових кристалів вони завжди будуть у значних кількостях, які залежать від чистоти реагентів. Так, на протравлених у стандартних травниках поверхнях германію і кремнію завжди наявні домішки багатьох металів (Ag, Au, Fe, Cu, Zn, Se, Pb), які майже не змиваються чистою (деіонізованою) водою. Наявність на поверхні кристалів Ge, Si домішок металів погіршує роботу приладів. Найефективнішими речовинами, які змивають домішки металів з поверхні Ge i Si, є ацетонітрол і тіоксин.
Основні фактори, які визначають швидкість хімічного травлення поверхні напівпровідникових кристалів, – швидкість окиснення поверхні та швидкість розчинення окисів. Тому основними компонентами будь-якого травника є реагенти, які забезпечують протікання цих процесів. Наприклад, при травленні германію в пергідролі при температурі кипіння (80 °С) молекули H2O2 інтенсивно розкладаються на H2O та атоми О, які активно реагують з атомами Ge, утворюючи спочатку окис, а потім двоокис германію. Отже, окиснювачем є атоми кисню, розчинником – вода, в якій добре розчиняється двоокис германію. Схематично процес хімічного травлення Ge в пергідролі можна записати за допомогою таких реакцій:
Кінцевим продуктом є метагерманієва кислота.
При зменшенні концентрації Н2О2 реакція травлення сповільнюється внаслідок зменшення концентрації окиснювача, а при збільшенні концентрації Н2О2 – послабленням дії розчинника (води).
При травленні Ge в стандартному травнику CP-4 [(HNO3 (5ч) + HF (3ч) + CH3COOH (3ч) + Br2 (1 г в розчині)] окиснювачем виступає азотна кислота, розчинником окисів – плавикова кислота. Оцтова кислота відіграє роль сповільнювача, який протидіє дисоціації сильних кислот, бром прискорює розчинення поверхневої плівки окису і, отже, прискорює процес травлення. Процес травлення Ge в СP-4 можна записати за допомогою таких реакцій:
В результаті одержується германій-фтористоводнева кислота.
Деякі травники не однаково діють на різні кристалографічні площини напівпровідникового кристала, а також на різні області однієї і тієї ж площини. Такі травники називають селективними.
Хімічні травники, дія яких не залежить від кристалографічної орієнтації площини поверхні кристала, називають неселективними.
Рис. 1.3. Фігури травлення для різних кристалографічних площин кубічного гранецентрованого кристала
Селективні травники використовують для виявлення кристалографічних площин кристала та для дослідження досконалості структури. Вигляд характерних фігур травлення для різних кристалографічних площин кубічних кристалів показано на рис. 1.3. Неселективні травники використовують для одержання полірованих поверхонь.