Основи технології електронної компонентної бази
Лекції 2-3. Фізико-хімічні методи обробки поверхні
1. Хімічне травлення кремнію
2. Кінетика травлення кремнію
3. Дві теорії саморозчинення кремнію
4. Залежність швидкості травлення від властивостей
використовуваних матеріалів
5. Хіміко-динамічна полірування
6. Промивання пластин в воді
Процес травлення складається з декількох етапів: реагент повинен наблизитися до поверхні пластини, адсорбироваться на ній, вступити з кремнієм в хімічну взаємодію. Утворився продуктам реакції необхідно в свою чергу десорбувати з поверхні, а потім піти в обсяг розчину.
Час травлення є сумою часів протікання кожного з цих етапів. Причому якщо який-небудь етап виявляється найбільш тривалим, то він буде визначати (лімітувати) весь процес травлення. У початковий момент часу концентрація травителя у всьому обсязі однакова. Однак через деякий час та частина розчину, яка знаходиться поблизу поверхні кремнію, вступає з ним у взаємодію. Концентрація молекул травителя у поверхні кремнію через протікання хімічної реакції зменшується, так що утворюється шар, збіднений молекулами травителя з концентрацією C ¢. Для подальшого протікання реакції необхідно, щоб з обсягу травителя, де його концентрація С, молекули травителя підійшли до поверхні кремнію. Доставка молекул з об'єму травителя до поверхні пластини - дифузний процес, швидкість якого дорівнює
де kд - коефіцієнт дифузії молекул травителя.
У перший момент, коли концентрація травителя скрізь однакова, швидкість травлення кремнію максимальна і дорівнює
де kр - константа швидкості хімічної реакції; E - енергія активації процесу травлення; k - постійна Больцмана; T - температура. Очевидно, що швидкість хімічної реакції істотно залежить від енергії активації і температури. Якщо поверхню напівпровідника енергетично неоднорідна, наприклад є виходи дислокацій або інші дефекти, то в таких місцях енергія активації може бути значно менше, швидкість травлення вище, травлення стає селективним.
Через деякий проміжок часу дифузія реагенту до
поверхні і швидкість хімічної реакції стають однаковими:
Тоді швидкість травлення можна визначити наступним чином:
Характер травлення кремнію залежить від того, яка з стадій травлення є найповільнішої: дифузія реагенту до поверхні або хімічна реакція. Швидкості кожної з цих стадій визначаються величинами одиничних швидкостей дифузії kд або хімічної реакції kр exp (-E / kT).
Швидкість травлення визначається швидкістю хімічної реакції і залежить від енергії активації травлення. Отже, травлення буде селективним, як в перший момент. Такий процес використовується для виявлення структурних дефектів на поверхні напівпровідника, кристалографічної орієнтації поверхні.
Швидкість травлення в цьому випадку мало залежить від енергії активації і визначається лише дифузійними процесами. Травлення буде поліруючим. Полірування відбувається наступним чином. Якщо на поверхні пластини є рельєф, то після утворення біля поверхні збідненого травителем шару окази-ється, що товщина останнього близько виступів дещо менше (рис.1.4), ніж його середня товщина, тому до виступів реагент підходить швидше і відбувається їх згладжування.
Кремній є досить інертним матеріалом, що пояснюється наявністю окисної плівки на його поверхні. Тому до складу травителя для кремнію вводять плавиковий кислоту, що розчиняють оксид. Для пояснення саморозчинення кремнію існують дві теорії: хімічна і електрохімічна.
Найпростіше пояснення процесу травлення дає хімічна теорія: травитель повинен містити два компоненти - окислювач, яким зазвичай є азотна кислота, і розчинник оксиду, яким служить плавикова кислота. Ця теорія виявилася дуже успішною для підбору основних складів травителей і пояснення ефекту полірування, проте з її допомогою можна пояснити процес селективного травлення.
Електрохімічний теорія припускає, що поверхня напівпровідника є енергетично неоднорідною, в результаті чого на ній можуть виникати просторово розділені ділянки мікрокатодов і мікроанодов.
На анодних ділянках протікає реакція:
Утворився окисел перекладається в розчинний комплекс з допомогою плавикової кислоти:
Сумарна реакція може бути записана як:
Основними катодними реакціями на кремнії є виділення водню і відновлення молекул окислювачів. При катодних реакціях можуть створюватися гідриди кремнію.
Реакція відновлення окислювачів, наприклад азотної кислоти, протікає набагато легше, ніж реакція виділення водню. Процес може йти із захопленням електрона із зони провідності або валентної зони, що рівносильно інжекції дірок на поверхні кремнію.
Відновлення азотної кислоти відбувається за участю двох електронів і утворенням азотної кислоти:
або за участю трьох електронів (відновлення до окису азоту):
В останньому випадку при відновленні однієї молекули кислоти виділяються три дірки, що призводить до збільшення швидкості розчинення кремнію. Сумарна реакція травлення для цього випадку має вигляд:
Відповідно до цієї реакції співвідношення HNO3: HF = 1: 4,5 молярних відсотків, що відповідає максимальній швидкості травлення кремнію.
Анодний процес визначається розривом зв'язків кристалічної решітки, тому на різних ділянках поверхні він відбувається з різною швидкістю. У місцях виходу дислокацій та інших порушень решітки анодний процес протікає більш інтенсивно.
Таким чином, селективне травлення спостерігається в тих випадках, коли використовується травитель з анодним контролем. Для отримання полірованій поверхні повинен застосовуватися травитель з катодним контролем.