В. И. Смирнов (987304), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Сухое травление проводят в специальных газоразрядных камерах, в которых подложка обрабатывается ионами или химически активными частицами плазмы.Жидкостные (химические) методы травленияПо характеру взаимодействия растворителя с веществом химическоетравление (растворение) бывает трех типов: молекулярное, ионноеи реактивное.Молекулярное растворение. Отличительной чертой этого типа растворения является полная идентичность химической формулы вещества в исходномсостоянии и в растворе. После удаления (например, испарения) растворителярастворенное вещество может быть получено в химически неизменном виде,хотя с ним могут произойти морфологические изменения.
Примером такого типа реакций может служить растворение сахара в воде, полистирола в бензоле итак далее. Частным случаем молекулярного растворения является образованиеколлоидных растворов, когда вещество в растворе находится не в виде отдельных молекул, а группируется в крупные полимолекулярные образования, такназываемые коллоидные частицы.Ионное растворение. В этом случае исходное состояние веществаи состояние в растворе не идентичны. В растворе происходит разделение ионного кристалла на катионы и анионы, которые окружены сольватационнымиоболочками (в водных растворах образованными полярными молекулами воды), которые обеспечивают устойчивость таких растворов.
Тем не менее, как ив случае молекулярных растворов, после удаления растворителя растворенное64вещество может быть выделено в химически неизменном виде. Примером такого типа реакций является растворение NaCl в воде.Реактивное растворение. Процесс растворения сопровождается химическим взаимодействием между растворенным веществом и растворителем, которое происходит со значительным тепловым эффектом, существенно превышающим тепловой эффект при молекулярном или ионном растворении.
Приэтом в растворе будут присутствовать продукты, химически отличные от исходного состояния системы. Удаление растворителя не позволяет получитьрастворенное вещество в исходном виде. Примером такого типа растворенияявляется реакция:Zn(тв) + 2HCl(жидк) → ZnCl2(раств) +H2(газ).В основном процесс травления можно представить в виде пяти стадий.1. Перенос молекул или ионов травителя изобъема раствора к поверхности полупроводника. Вначальный момент после погружения пластины полупроводника в раствор вблизи ее поверхности засчет интенсивной реакции образуется слой δ, обедненный молекулами травителя (рис. 3.22), что приводит к возникновению градиента концентрации молекул травителя и формированию диффузионного по- Рис.
3.22. Схема диффузиимолекул травителятока этих молекул к поверхности полупроводника.к поверхности пластиныПлотность потока jx на основании первого законаФика можно оценить по формулеN − Nsjx = D 0,(3.29)δгде D – коэффициент диффузии молекул травителя; N0 и Ns – концентраций молекул травителя в объеме раствора и у поверхности пластины.2. Адсорбция молекул травителя на поверхности полупроводника.
Наэтой стадии молекулы травителя вступают в контакт с поверхностью. Этотконтакт может быть либо химической адсорбцией (хемосорбцией), либо физической адсорбцией. В первом случае между молекулами травителя и поверхностными атомами полупроводника возникают ионные или ковалентные связи.Во втором случае молекулы травителя удерживаются на поверхности слабымисилами Ван-дер-Ваальса. Соответственно энергия активации адсорбции прихемосорбции оказывается существенно больше, чем при физической адсорбции.3. Кинетическая стадия процесса. На этой стадии в результате химических реакций молекул травителя с поверхностными атомами происходит разрыв химических связей последних и переход их в раствор.
Механизмы этих реакций зависят от материала пластины, состава травителя и условий травления.Они отличаются большим многообразием и часто бывают довольно сложны.654. Десорбция продуктов реакции. В результате протекания химическихреакций на поверхности полупроводника накапливаются продукты реакции,которые могут быть физически или химически связаны с поверхностью.Для того чтобы перевести их в раствор, необходимо разорвать эти связи, чтои происходит на данной стадии.5. Удаление продуктов реакции от поверхности полупроводника в объемраствора. В результате перехода растворенного материала в жидкую фазу вблизи поверхности полупроводника на расстоянии δ накапливаются продукты реакции, концентрация которых Ns существенно превышает их концентрацию N0в объеме раствора (рис.
3.23). В результате возникает диффузионный поток jxмолекул вещества, пропорциональный градиенту концентрации.Таким образом, весь процесс травления состоит из двух диффузионных,двух сорбционных и одной кинетической стадий. Общая скорость процесса определяется скоростью наиболее медленной (лимитирующей) стадии. Как правило, сорбционные стадии редко ограничивают скорость травления. Вбольшинстве случаев скорость травления ограничивается либо диффузией компонентов травителяили продуктов реакции в растворе, либо скоростьюхимической реакции на поверхности пластины. Взависимости от того, какая из этих стадий являетсяРис. 3,23.
Схема диффузиилимитирующей, результаты травления оказываютсяпродуктов реакции от поверхности пластиныразличными.Пусть, например, лимитирующей стадией является диффузия молекул травителя (первая стадия)или молекул растворенного вещества (пятая стадия). В этом случае общая скорость процесса травления будет определяться плотностью потока jx молекул(см. формулу 3.29), которая зависит от температуры, вязкости травителя, механических воздействий, способствующих перемешиванию травителя. От свойствсамой поверхности (кристаллической ориентации, наличия поверхностных дефектов и так далее) скорость травления не зависит. Следовательно, травление вэтом случае должно происходить изотропно, и в результате травления поверхность должна становится гладкой, то есть травление носит полирующий характер.
Травители, для которых лимитирующей стадией является диффузия, называются полирующими, а сам процесс травления – интегральным. Полирующиесвойства травителей можно усилить, если уменьшить скорость протеканиядиффузионных процессов. Это можно сделать с помощью специальных добавок, увеличивающих вязкость травителя, или за счет уменьшения температурыпроцесса. Интенсивное перемешивание травителя, напротив, разрушает диффузионный слой δ, что снимает диффузионное ограничение и ухудшает, такимобразом, полирующие свойства травителя.Если лимитирующей стадией является кинетическая стадия, то общаяскорость процесса травления Vтр будет примерно равна скорости химическойреакции на поверхности:66− ∆EVтр = A тр N s e kT ,(3.30)где Атр – константа скорости химической реакции на поверхности объекта;Ns – концентрация молекул травителя на поверхности; ∆Е – энергия активациихимической реакции (избыточная энергия, которой должна обладать молекулав момент столкновения с другой молекулой, чтобы быть способнойк химическому взаимодействию).Энергия активации ∆Е зависит от неоднородности поверхности пластины, кристаллографической ориентации, наличия на поверхности структурныхдефектов.
Если, например, на поверхности имеются выходы дислокаций, то вэтих местах энергия активации меньше, чем на участках поверхности без дефектов. Поэтому в «дефектных» участках скорость травления будет выше, и наповерхности образуются ямки травления, форма которых зависит от кристаллографической ориентацией поверхности пластины.Травители, у которых лимитирующей стадией является химическая реакция, называются селективными, а процесс травления – дифференциальным.
Какследует из выражения (3.30), характер селективного травления определяется нетолько свойствами поверхности, способными повлиять на значение энергии активации химической реакции ∆E, но и в значительной степени температурой. Сростом температуры селективность травителя оказывается выраженной меньше. Поэтому для выявления поверхностных дефектов желательно проводитьтравление при низких температурах. Однако при снижении температурыуменьшается вязкость травителя, и на скорость всего процесса начинают влиятьдиффузионные стадии, снижающие селективность травителя.Ионно-плазменные методы травленияПовышениестепениминиатюризациимикросхемпривелок необходимости формирования на поверхности полупроводниковых пластинэлементов с субмикронными размерами. Методы жидкостного травленияне обеспечивают требуемого для этих целей разрешения.
Это послужило стимулом к развитию различных ионно-плазменных методов. Под термином «ионно-плазменное травление» принято понимать процесс контролируемого удаления материала с поверхности обрабатываемой пластины под воздействием ионов низкотемпературной плазмы в среде инертных газов или в среде, содержащей активные газы.Подробно вопросы, связанные с образованием газоразрядной плазмы ивзаимодействием образующихся при этом ионов с поверхностью распыляемойпластины, рассмотрены в п. 4.2. Здесь отметим лишь, что плазма создаетсяв специальной газоразрядной камере с двумя (или более) электродами, междукоторыми прикладывается напряжение порядка несколько сотен или тысячвольт.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
