ПОНЯТИЕ И РАЗНОВИДНОСТИ ХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ

Обычно травление ассоциируется с использованием специальных растворов - травителей - для общего или локального удаления поверхностного слоя твердого тела на ту или иную глубину. Действительно, жидкие травители остаются главным средством для достижения указанной цели. Однако в технологии микроэлектроники появились и другие средства, выполняющие ту же задачу (например, плазмохимическое травление – растворение материала под воздействием свободных радикалов и ионов химически активных газов, образующихся в плазме газового разряда). В общем случае травление можно рассматривать как не механические способы изменения рельефа поверхности твердого тела.

Классический процесс химического травления – это удаление материала с поверхности твердого тела в результате растворения в травителе – растворе химических реагентов, способных вступать в реакцию с кристаллом с образованием продуктов реакции. Переход поверхностного слоя кристалла в раствор означает удаление этого слоя.

Конечно, травление подчиняется законам физической химии, но в реальных условиях имеется столько привходящих обстоятельств, что состав травителей для каждого материала подбирается не расчетным путем, а экспериментально.

Характеристикой активности взаимодействия кристалла с травителем служит скорость травления. Несмотря на простоту практической реализации процесс травления чрезвычайно сложен. На скорость растворения кристаллов влияют внутренние и внешние факторы. Внутренние факторы связаны со свойствами кристалла - с химической природой, типом связи, элементами, из которых построен данный кристалл, с наличием и химической природой примесей, вошедших в решетку кристалла, с кристаллографической ориентацией поверхности, с несовершенствами решетки (дислокациями, точечными дефектами и др.). Внешние факторы связаны с травителем - это природа травителя, концентрация входящих в него компонентов, температура, перемешивание, наличие в нем примесей. Для полупроводников на скорость растворения влияет и время травления. Универсальная теория травления, объясняющая влияние всех этих факторов, пока не создана. Каждая из существующих теорий объясняет лишь наблюдения определенного типа. Кремний, германий, соединения А³В⁵ при комнатной температуре не реагируют с водными растворами кислот или щелочей. Низкая реакционная способность полупроводников обусловлена преобладающей сильной ковалентной связью в их кристаллах. Для растворения полупроводниковых кристаллов необходимы смеси реагентов, в состав которых входят сильный окислитель и вещество, способное растворять продукты окисления. Растворение полупроводника в травителе может быть описано с использованием химического или электрохимического механизмов.

По сравнению с механическим удалением травление обеспечивает бóльшую точность процесса: стравливание происходит плавно - один мономолекулярный слой за другим. Правильно подобрав состав травителя, его концентрацию, температуру и время травления, можно весьма точно регулировать толщину удаляемого слоя. Например, при химической полировке подложек кремния можно обеспечить скорость травления 0,1 мкм/мин, т.е. за 20-30 секунд снять слой толщиной всего 40-50 нм.

В технологии полупроводников используют несколько видов травления (по видам травления обозначаются и составы травителей).

Изотропное травление – растворение материала с одинаковой скоростью для всех граней монокристалла, не зависящей от кристаллографического направления поверхности травления. Этот вид травления используют для химического полирования поверхности и удаления слоев заданной толщины. В процессе химического полирования происходит сглаживание неровностей подложки с уменьшением шероховатости поверхности. Химическое полирование позволяет удалить с поверхности подложек нарушенный слой, оставшийся после механической обработки, механические упругие напряжения, обеспечивает очистку поверхности от посторонних включений, загрязнений и пленок, позволяет уменьшить толщину подложек и получить заданные топографический рельеф поверхности и геометрические размеры;

Для большей равномерности химического полирования и удаления продуктов реакции с поверхности ванночку с раствором вращают в наклонном положении (динамическое травление) или вводят в раствор ультразвуковой вибратор (ультразвуковое травление).

Анизотропное травление - растворение материала с неодинаковой скоростью на различных гранях монокристалла, зависящей от кристаллографического направления поверхности. Этот вид травления (и специальные анизотропные травители) используют для получения заданного микрорельефа поверхности подложек. За последние годы в связи с появлением микроэлектромеханических систем (МЭМС) методы анизотропного травления получили мощный толчок к развитию и сейчас используются не только в планарной технологии, но и в технологии изготовления МЭМС для объемной микрообработки при создании сенсорных и актюаторных элементов (рисунок 7).

а)	б)

Рисунок 7 - Фрагмент микромеханического устройства в сечении (а) и плане (б) кристалла. Травление выполнено на установке п лазменного анизотропного травления кремния для изделий микромеханики (разработка Физико-технологического института РАН)

Анизотропный характер травления в определенных травителях объясняется различной плотностью упаковки атомов в разных плоскостях, а также различным характером связи поверхностных атомов между собой и с атомами, расположенными в объеме подложки. Скорость травления кремния в зависимости от кристаллографического направления соответствует следующему ряду: V<100> > V<110> > V<210> > V<211> > V<221> > V<111>. Наименьшая скорость травления в монокристаллическом кремнии свойственна направлению <111>, в котором плотность атомов на единицу площади максимальна, а наибольшая - направлению <100>, в котором плотность атомов минимальна. Типичное значение отношения скорости травления в направлении <100> к скорости травления в направлении <111> составляет:

V< 100>:V< 111> = 400:1. Поэтому при использовании специальных анизотропных травителей скорость травления оказывается разной в разных направлениях и боковые стенки лунок приобретают определенный рельеф - огранку. Примеры огранки при анизотропном травлении показаны на рисунке 8. Углы, под которыми вытравливаются боковые стенки лунок, строго определены и поддаются расчету. Поэтому вместе с методом масок метод анизотропного травления дает разработчику ИМС возможность проектировать рельеф отверстий не только по плоскости, но и по глубине.

Изотропное и анизотропное травление используют в технологии микроэлектроники для локального и послойного удаления материала с поверхности подложек.

Локальное травление – удаление материала со строго ограниченных и заданных участков подложки - позволяет получать топографический рисунок на поверхности подложек. Для этого создаются канавки или выступы (меза-структуры) определенного профиля и проводится травление оксидных или нитридных слоев, чтобы получить нужный рисунок металлических покрытий (контактных площадок, межсоединительных дорожек и т.д.). Локальное травление используют также при получении дифракционных решеток для инжекционных лазеров, а также при изготовлении микроэлектромеханических систем. Для локального травления могут использоваться изотропные (полирующие) и анизотропные травители.

Если для локального травления (через маску) используют изотропные травители, наблюдается так называемое подтравливание. Оно выражается в том, что травление идет не только вглубь подложки, но и в стороны - под маску. В результате стенки вытравленного рельефа оказываются не совсем вертикальными, а площадь углубления - несколько больше площади окна в маске (рисунок 8).

Явления подтравливания можно избежать, используя анизотропные травители. Если при локальном травлении в анизотропных травителях края окон в маске ориентированы по осям <100>, то подтравливание отсутствует. Это преимущество обусловлено тем фактом, что плоскость (111) как бы «непроницаема» для анизотропного травителя и размеры лунок могут практически совпадать с размерами окон в маске.

б)

Рисунок 8 - Локальное травление кремния: а - изотропное; б - анизотропное

Послойное травление – это последовательное снятие тонких поверхностных слоев материала. Послойное травление применяют для изучения профилей распределения дефектов структуры и примесей, электрофизических и механических свойств в подложках и эпитаксиальных структурах после проведения операций ионной имплантации, диффузии легирующих примесей, механических или термических обработок. Послойное травление используют также при анализе отказов интегральных схем. Для послойного травления используют полирующие травители с малой скоростью травления (< 0.1 мкм/мин).

Селективное травление - это травление в селективных травителях, для которых скорость растворения дефектных областей кристалла отличается от скорости растворения бездефектной матрицы. В результате на поверхности подложки в местах выхода структурных дефектов (дислокаций, дефектов упаковки, примесных кластеров, границ зерен и т.д.) образуются ямки травления. Этот вид травления используется для контроля распределения и плотности дефектов, выявления межслойных границ в эпитаксиальных структурах, p-n –переходов. При обработке гетероструктур (подложек с несколькими эпитаксиальными слоями различного химического состава) используют селективные травители, для которых скорость травления зависит от химического состава слоя (подложки).

Поиск по сайту: