Презентация 10-1

1.

Лекция 10. Травление
Травление – контролируемое удаление части материала с поверхности подложки.
Травление бывает жидкостное, газовое, плазменное.
Жидкостное (мокрое) – травление проводится в жидкой фазе (раствор, расплав). Процесс по
большей части химический. В основе каждого травителя должны присутствовать два обязательных
компонента: окислитель и растворитель оксида (комплексообразователь). Кроме основных
компонентов в состав травителей часто вводят регуляторы скорости травления: замедлители или
ускорители. Жидкие травители для кремния имеют щелочную (быстрое травление, но много ионов
щелочных металлов, что портит качество поверхности) или кислотную (медленно, зато
качественно) реакцию, оксид травится кислотами.
Газовое (сухое) – травление в газовой фазе. Может быть химическим или физическим. Как
правило, травление выполняется по реакциям, обратным эпитаксии. Для этого температура
процесса сильно повышается, чтобы стимулировать переход реакции в обратную форму и вызвать
таким образом удаление материала, а не его нарастание.
Плазменное (сухое) – травление в плазме или вакууме. Основное качество этого вида травления –
высокая скорость процесса, которая достигается и контролируется путем пропускания тока заданной
величины через плазму и создания магнитного поля для разгона частиц плазмы.

2.

Лекция 10. Травление
Травление имеет следующие основные характеристики: селективность, изотропность и скорость.
Селективность – показывает, насколько избирателен травитель к материалам:
-селективный травитель травит только один материал,
-неселективный – все материалы.
Подбор состава селективных травителей во многом носит чисто эмпирический характер.
Селективность работы травителя обусловлена прежде всего особенностями адсорбции молекул
(ионов) окислителя на поверхности кристалла в области с нарушенной структурой.
Изотропность – показывает отношение травителя к ориентации материала:
-изотропный травитель травит материал с одинаковой скоростью вне зависимости от
ориентации,
-анизотропный – только в одном направлении.
Скорость – показывает, сколько материала удаляется с поверхности пластины в единицу времени.

3.

Лекция 9. Травление.
Травление – это удаление поверхностного слоя не механическим, а чаще всего химическим путем.
Травление используют:
- для получения максимально ровной бездефектной поверхности пластин, не достижимой
механической обработкой;
- удаления двуокиси кремния и других слоев с поверхности.
- локальное травление применяют для получения необходимого рельефа поверхности и
формирования рисунка тонкопленочных слоев.
Жидкостное травление. В основе его лежит химическая реакция жидкого травителя и твердого тела, в
результате которой образуется растворимое соединение. Подбором химического состава, концентрации
и температуры травителя можно обеспечить заданную скорость травления 0,1 – 10 мкм/мин и толщину
удаляемого слоя.
Локальное травление осуществляется через маску.
Травление может быть изотропным и анизотропным. Изотропное травление идет с одинаковой скоростью
во всех направлениях – как вглубь, так и под маску.
Пример такого травления – травление двуокиси кремния
через маску фоторезиста
Изотропное травление двуокиси кремния через маску фоторезиста

4.

Лекция 10. Травление.
Основным компонентом травителя для кремния является плавиковая кислота HF (раствор фтороводорода
или в смеси с NH4F- фторид аммония).
Размер W вытравленной области больше размера отверстия W0 в маске на величину, превышающую
удвоенную толщину d слоя двуокиси кремния:
В связи с этим жидкостное изотропное травление не позволяет получать в двуокиси кремния отверстия
малых размеров. Так как этот слой является маской при легировании, то использование такой маски не
позволит получить элементы ИМС малых размеров
Жидкостное травление обладает высокой избирательностью, которая оценивается отношением скоростей
травления требуемого слоя (например, SiO2) и других слоев (например, кремния, фоторезиста).
Скорость химической реакции травителей зависит от кристаллографического направления в
монокристалле.
В кремнии скорость травления минимальна в направлении [111], так как в перпендикулярной ему
плоскости (111) максимальна плотность атомов (количество атомов на единице площади поверхности).
Плоскость (100) имеет значительно меньшую плотность атомов, поэтому скорость травления в направлении
[100] в 10 – 15 раз больше, чем [111]. На этом основано жидкостное анизотропное травление кремния.

5.

Лекция 10. Анизотропия при травлении.
Анизотропию травления количественно оценивают отношением скоростей травления в различных
направлениях.
Если пластина имеет ориентацию (100) и используется маска двуокиси кремния с прямоугольными
отверстиями, стороны которых ориентированы по направлениям [110], параллельным плоскостям (111), то
после травления образуется канавка, боковые стенки которой имеют ориентацию (111), то есть
перпендикулярны направлению, соответствующему наименьшей скорости травления. При малом времени
травления канавка имеет плоское дно – рис. .а, со временем она углубляется и становится V-образной – рис.
б. После этого травление резко замедляется (практически останавливается), так как дальше оно идет в
направлении [111], соответствующем минимальной скорости травления.
Угол α между стенками составляет около 70°. Глубина
канавки d определяется размерами отверстия в маске W0 :
Если ориентация поверхности (110), то стенки канавок
получаются вертикальными, так как они соответствуют
ориентации (111) – рис. в. Так можно сформировать канавки
шириной менее 1 мкм и глубиной около 10 мкм.
d ≈ 0,7 W0.

6.

Лекция 10. Травления нитрида кремния .
Для травления нитрида кремния может использоваться плавиковая кислота.
Скорость травления Si3N4 в концентрированной плавиковой кислоте может составлять 7 - 10
нм/мин при различных способах создания слоев нитрида кремния.
Для улучшения равномерности травления может использоваться травитель с добавлением NH4F (45 г
HF, 200 г NH4F, 300 г H2O). Скорость травления при этом несколько снижается.
В технологии ИМС часто возникает необходимость в травлении двойного слоя: Si3N4на SiO2или
SiO2на Si3N4.
Поскольку в травителях, содержащих плавиковую кислоту, скорость травления окисла кремния
существенно выше скорости травления нитрида кремния, при травлении Si3N4 окисел будет
разрушаться.
Травителем для Si3N4, не воздействующим на окисел, является фосфорная кислота H3PO4.
Травление Si3N4в фосфорной кислоте идет интенсивно со скоростью 1 - 20 нм/мин при температуре 150
- 200 °С, при этом из раствора интенсивно испаряется вода и травитель обогащается P2O5.
Скорость травления нитрида кремния падает. С увеличением содержания P2O5начинает травиться
окисел кремния.
Пример. При температуре 180 °С скорость травления Si3N4в водном 90%-ном растворе H3PO4 равна 10
нм/мин, а скорость травления SiO2 на порядок величины меньше.

7.

Лекция 10. Промывка пластин в воде
После химического травления с поверхности пластин необходимо удалить остатки травителя. Это
достигается промывкой их в специально очищенной воде, поскольку обычная водопроводная вода,
содержащая огромное количество растворенных в ней неорганических и органических веществ, не
подходит для этой цели.
Очистка воды может проводиться различными способами: дистилляцией, ионообменом,
электродиализом и др. Наилучшими качествами обладает дважды и трижды дистиллированная
вода. Однако в условиях массового производства многократная дистилляция воды оказывается очень
дорогим и малопроизводительным способом. В производстве применяется деионизованная, т.е.
очищенная от неорганических ионов вода.
Очистка воды осуществляется с помощью ионообменных смол. Неорганические примеси находятся в виде
ионов: катионов Fe2+, Cu+, Na+ и т.д. или анионов NO, Cl–, SO.
Существует два вида смол: связывающие катионы - катиониты и связывающие анионы - аниониты.
Условное обозначение этих смол R - H и R - OH, где R - органический радикал.
Смолы используются в виде гранул диаметром 3 - 5 мм. Вода, предварительно прошедшая дистилляцию,
поступает сначала в колонку с катионитом, где проходит реакция замещения металлическими ионами
M+протона:

8.

Лекция 10. Промывка пластин в воде
(R – H) + M+=(R – M) + H+,
затем в колонку с анионитом, где анионы U–замещают гидроксильную группу:
(R – OH) + U–= (R – U) + OH–.
Протоны и гидроксильные группы соединяются в молекулы воды:
H++ OH–=H2O.
Чистота воды, свободной от ионов, определяется по ее удельному сопротивлению. Собственное
сопротивление воды при температуре 20 °С составляет 24 Мом*см. В производстве вода должна
содержать примесь в количестве 10–6%, что составляет 2,6*1015ион/см3(в переводе на натрий).
Это соответствует удельному сопротивлению воды 15 - 20 Мом*см.

9.

Лекция 10. Сухое анизотропное травление.
Травление производится в вакуумной установке в плазме газового разряда.
Различают:
-ионное травление,
-плазмохимическое травление
-реактивное ионное.
Ионное травление основано на физическом распылении материала при бомбардировке его ионами
инертных газов.
Плазмохимическое травление основано на химическом взаимодействии активных частиц плазмы
(ионов, атомов, молекул) с материалом, подвергающимся травлению.
Реактивное ионное травление представляет комбинацию первых двух методов.
Важнейшее достоинство сухого травления – его анизотропия: травление идет преимущественно в
вертикальном направлении, в котором движутся частицы плазмы.

10.

Лекция 10. Сухое анизотропное травление.
Размер вытравленной области точно соответствует размеру отверстия в маске.
На рис. показано травление двуокиси кремния через маску фоторезиста .
Такой процесс позволяет получать отверстия в SiO2 меньших размеров, чем при жидкостном
травлении.
Количественно анизотропия оценивается отношением скоростей травления в вертикальном и
горизонтальном направлениях.
Сухое анизотропное травление двуокиси кремния через
маску фоторезиста
Ионное травление не обладает избирательностью.
Поэтому несмотря на максимальную анизотропию использовать его для локального травления
невозможно. Ионное травление применяют для очистки поверхности от загрязнений.
Плазмохимическое травление производится при давлении около 500 Па в плазме высокочастотного
газового разряда. На поверхность пластины попадают ионы с малыми энергиями (100 эВ) и
нейтральные химически активные атомы и молекулы.
Анизотропия в этом случае мала – от 2 до 5, но обеспечивается высокая избирательность – до 50
при скорости травления 2 – 10 нм/с.

11.

Лекция 10. Реактивное ионное травление.
Максимальные преимущества сухого травления присущи реактивному ионному травлению.
Оно производится при меньших давлениях (около 1 Па) и больших энергиях ионов (до 500 эВ).
Скорость химических реакций нейтральных атомов и молекул с материалом возрастает вследствие
бомбардировки его ионами.
При низких энергиях длина свободного пробега молекул намного больше глубины травления, а скорость
взаимодействия газа с горизонтальной поверхностью пластины больше, чем с боковыми стенками
углублений.
С другой стороны химические реакции, ослабляя связи атомов на поверхности, способствуют физическому
распылению материала ионами.
Это обусловливает высокую анизотропию процесса (до 100) при хорошей избирательности (до 30) и
достаточно высокой скорости 0,3 – 3 нм/с.
Для травления двуокиси кремния применяют газообразный четырехфтористый углерод CF4 , который в
плазме распадается на CF2 и F.
F взаимодействует SiO2 c образованием SiF4.
Добавление Н2 обеспечивает избирательность травления SiO2 по сравнению с кремнием, равную 35, и
10 – по сравнению с фоторезистами.
Для травления кремния применяют CF4 с добавлением О2

12.

Лекция 10. Химическое травление.
Травление монокристаллических полупроводников в ряде травителей носит ярко выраженный
анизотропный характер, то есть скорость процесса существенно зависит от кристаллографической
ориентации поверхности полупроводника.
Такие травители называются селективными или анизотропными.
При их использовании лимитирующей стадией процесса травления является химическая реакция, и
скорость этого процесса зависит от температуры.
Любой раствор для травления кремния содержит в своем составе:
окислитель, переводящий полупроводник в окисленное состояние,
и комплексообразователь, переводящий окисел в раствор.
В качестве окислителя чаще всего используется азотная кислота (HNO3), а также йод, бром, некоторые
соли, например, NaI, FeCl3.
Наиболее подходящими комплексообразователями являются фтористоводородная кислота (HF) и щелочи
(NaOH и KOH).
Кроме этих обязательных компонентов в состав травителей могут входить и другие составляющие:
-регуляторы скорости реакции (ускорители или замедлители),
-агенты, обеспечивающие селективное травление

13.

Лекция 10. Теории травления кремния.
Существует две теории саморастворения полупроводниковых материалов:
-химическая
-электрохимическая.
Согласно химической теории, растворение полупроводникового материала происходит в две стадии:
-сначала он окисляется,
-а затем образовавшийся оксид переходит в раствор (растворяется).
Эта теория оказалась очень успешной для подбора основных составов травителей и объяснения эффекта
полировки, однако с ее помощью нельзя объяснить процесс селективного травления.
Согласно электрохимической теории, взаимодействие между полупроводниковым материалом и травителем
состоит из анодного и катодного процессов, сопровождающихся протеканием локальных токов между
отдельными участками полупроводниковой пластины.
При погружении полупроводниковой подложки в травитель на поверхности раздела подложка–травитель
образуется двойной электрический слой: между электролитом и подложкой возникает разность потенциалов,
которая и приводит к электрохимическому процессу растворения полупроводника.
При травлении кремния на анодных участках протекают реакции, приводящие к растворению кремния, а на
катодных происходит процесс выделения водорода.

14.

Лекция 17. Химическое травление.
Восстановление окислителей может сопровождаться захватом электронов из валентной зоны, что
равносильно образованию дырок на поверхности полупроводника. Образовавшиеся дырки
участвуют в анодном растворении кремния.
Восстановление азотной кислоты происходит с участием двух электронов и образованием азотистой
кислоты:

15.

Лекция 17. Теории травления кремния.
Анодный процесс связан с разрывом связей между атомами в кристаллической решетке, а катодный с
образованием дырок. Поэтому травление с анодным контролем происходит на разных участках с
различной скоростью. Там, где имеются дислокации или другие ослабляющие межатомные связи дефекты
кристаллической структуры, скорость травления больше.
По этой причине травители с анодным контролем применяются для выявления дислокаций на поверхности
полупроводника (селективное травление).
Травление с анодным контролем непригодно в случае, когда требуется получить ровную, зеркальную
гладкую поверхность (полирующее травление).
Для этой цели необходимо подобрать травитель с катодным контролем и полностью подавить способность к
селективному травлению.

16.

Лекция 10. Теории травления кремния.
Механизм действия травителя в ряде случаев зависит от соотношения компонентов.
Например,
-травитель состава HF:HNO3:CH3COOH = 1:3:1 является полирующим,
- а травитель HF:HNO3:CH3COOH = 1:3:(8-12) – один из широко известных селективных травителей – травитель
Деша, с помощью которого можно выявить дислокации и кристаллографические плоскости.
Для анизотропного травления кремния применяются также травители на основе гидрооксидов щелочных
металлов. Для этой цели используются водные (5-30%) растворы КОН и NaOH.
Реакция протекает при температуре 90-100 ºС. Процесс состоит из двух стадий:
- окисление кремния за счет реакции с водой при нагревании

17.

Лекция 10. Резюме. Химическое травление.
Преимущества химического
травления:
•Простота, дешевизна.
•Высокая селективность к
маскам (SiO₂, Si₃N₄).
•Отлично для объёмного
травления MEMS.
❌ Недостатки:
•Изотропное (кроме щелочей)
→ нельзя делать вертикальные
стенки.
•Не подходит для узких линий
(< 1 мкм).
•Использование
токсичных/коррозионных
химикатов.

18.

Лекция 10. Сухое физическое травление (Physical Etching) или ионно-плазменное травление (ИПТ) .
Принцип:
Бомбардировка поверхности инертными ионами (Ar⁺), которые физически выбивают атомы кремния.
Для ионной очистки поверхности материалов (удаления адсорбированных частиц) обычно используют ионы с энергией в
диапазоне от 20 до 100 эВ, а для ионного травления (удаления слоев основного материала) - от 100 до 1000 эВ
По способу возбуждения и поддержания электрического разряда системы ИПТ подразделяются на системы с разрядами
постоянного тока, системы с ВЧ разрядами, + с магнитным полем
✅ Преимущества:
•Полностью анизотропное → вертикальные стенки.
•Не зависит от химии → можно травить любые материалы.
❌ Недостатки:
•Низкая селективность (травит маску и кремний одинаково).
•Повреждение поверхности (аморфизация, дефекты).
•Низкая скорость.
•Нет химической пассивации → перетравливание.
Ионно-плазменное травление (плазменное травление) — метод удаления материала с поверхности, при котором
обрабатываемый материал находится в непосредственном контакте с плазмой (плазма — источник ионов и среда протекания
процесса)
Примечание. Чисто физическое травление редко используется для кремния — почти всегда применяют реактивные газы.

19.

Лекция 10. Реактивное ионное травление (Reactive Ion Etching, RIE)
Принцип: Сочетание химического и физического травления:
•Химия: реактивные радикалы (например, F*, Cl*) образуют летучие соединения (SiF₄, SiCl₄).
•Физика: ионы (Ar⁺, CFₓ⁺) ускоряются в плазме и:
• Удаляют пассивирующий слой с дна канавки,
• Усиливают химическую реакцию,
• Обеспечивают анизотропию.