Высшее профессиональное образование

Физико-химические основы технологии электронных средств

Допущено

Учебно-методическим объединением вузов

по университетскому политехническому образованию

в качестве учебного пособия

для специальности 000000000 «Проектирование и технология электронных средств»

Оглавление

Стр.

Введение…………………………………………………………………………………….

Раздел 1……………………………………………………………………………………..

Раздел 2……………………………………………………………………………………..

Раздел 3……………………………………………………………………………………..

Раздел 4……………………………………………………………………………………..

Раздел 5……………………………………………………………………………………..

Раздел 6……………………………………………………………………………………..

Раздел 7……………………………………………………………………………………..

Заключение………………………………………………………………………………….

Приложение 1……………………………………………………………………………….

Приложение 2……………………………………………………………………………….

Приложение 3……………………………………………………………………………….

Приложение 4……………………………………………………………………………….

Приложение 5………………………………………………………………………………..

Принятые сокращения

ЭА – электронная аппаратура

ЭВС – электронно-вычислительные средства

ЭВМ – электронно-вычислительные машины

РЭА – радиоэлектронная аппаратура

2. Технологии связанные с травлением

2.1. Травление материалов в жидких средах

Химическое травление подразделяют на изотропное, анизотропное и селективное.

И з о т р о п н о е т р а в л е н и е — растворение материала, например, полупроводникового, с одинаковой скоростью по всем кристаллографическим направлениям — позволяет равномерно стравливать тонкие слои и получать ровную поверхность. Такое травление называют также полирующим или химическим полированием.

А н и з о т р о п н о е т р а в л е н и е — растворение материала, например, полупроводникового с неодинаковой скоростью по различным кристаллографическим направлениям — позволяет вытравливать глубокие канавки и щели.

С е л е к т и в н о е т р а в л е н и е — растворение материала, например, полупроводникового с повышенной скоростью травления в местах выхода на поверхность структурных дефектов. Благодаря такому травлению они становятся различимыми невооруженным глазом или под микроскопом, поэтому можно определить их вид и плотность.

Процесс травления состоит из пяти этапов:

1) диффузии реагентов к поверхности полупроводникового материала;

2) адсорбции их поверхностью;

3) химического или электрохимического взаимодействия реагента с поверхностью;

4) десорбции продуктов реакции

5) диффузии их от поверхности.

Скорость травления определяется скоростью самого медленного этапа.

Травители, в которых самыми медленными этапами являются диффузионные, называются полирующими. Эти травители нечувствительны к неоднородностям поверхностей, сглаживают шероховатости и выравнивают микрорельеф. Скорость травления существенно зависит от вязкости и перемешивания травителя и незначительно от температуры.

Травители, в которых самыми медленными являются поверхностные реакции, называются избирательными. Скорость травления в них зависит от температуры, структуры и кристаллографической ориентации поверхности и не зависит от вязкости и перемешивания травителя. Избирательные травители с неодинаковой скоростью травления в различных кристаллографических направлениях называют анизотропными, а с большой скоростью в области структурных дефектов — селективными.

Рис. 2.1. Разновидности травления

Химическое травление полупроводниковых пластин основано на процессах окисления их поверхности и растворения образовавшихся оксидов. Поэтому травильные смеси обычно состоят из окислителя, комплексообразователя (для образования растворимых соединений с оксидом), растворителя, ускорителя или замедлителя реакций окисления и растворения оксида и специальных добавок (например, обеспечивающих избирательное действие травителя). В большинстве случаев составы травителей подбираются опытным путем.

В процессе изготовления пластин полирующим травлением удаляют нарушенный слой полупроводника после грубой обработки (резки, шлифовки, скругления края), а также очищают их от загрязнений (глубокое травление) в водном 20-30%-ном растворе КОН или NaOH при 95-125^оС. Травление кремния в щелочном травителе состоит из реакций

его окисления до диоксида, гидратации и взаимодействия его со щелочью с образованием растворимых силикатов:

Si + 2H₂O  SiO₂ + 2H₂

SiO₂ + xH₂O  SiO₂  x₂H₂O

SiO₂  xH₂O + 2KOH  K₂SiO₂ + (x+1)H₂O

В этом травителе вода является окислителем, а растворителем оксида (комплексообразователем) — щелочь. Скорость растворения кремния зависит от концентрации щелочи и максимальна при концентрации 1-1,5 моль/л и температуре 100С. Повышение скорости травления обусловлено увеличением степени гидратации окисла, что увеличивает его растворимость в кремнии, а снижение — уменьшением растворимости силикатов, осаждающихся на поверхности пластины. Поэтому очень важно травление выполнять в избытке щелочи, иначе на поверхности возможно образование нерастворимых кремниевых кислот, а следовательно, и полное прекращение процесса.

Недостатками щелочных травителей являются возможность загрязнения поверхности кремния ионами щелочных металлов, которые трудно удаляются, и растворимость в них маскирующей пленки SiO_2. Рельеф поверхности после обработки в таком травителе зависит в основном от рельефа предшествующей механической обработки.

В ряде случаев полирующее травление, используемое для уменьшения остаточных нарушений на рабочей поверхности окончательно обработанных пластин, выполняют в смеси кислот HF, HNO₃, CH₃COOH, при этом окислителем является азотная кислота:

Si + 4HNO₃  SiO₂ + 4NO₂ + 2H₂O

Фтористоводородная кислота служит комплексообразователем, который переводит диоксид кремния в тетрафторид кремния:

SiO₂ + 4HF  SiF₄ + 2H₂O

Уксусная кислота является разбавителем и ингибитором (замедлителем реакции).

Рис. 2.2. Химико-динамическая полировка изделий

При травлении поверхность пластины 1, помещенной во вращающийся стакан 2 специальной установки, омывается ламинарным потоком травителя 3, что обеспечивает хороший доступ его к поверхности и отвод от нее продуктов химических реакций. Этот вид обработки называют химико-динамической полировкой (ХДП).

Для химико-динамической полировки арсенида галлия применяют растворы на основе H₂SO₄H₂O₂H₂O₂ с высоким содержанием серной кислоты, систему Вт₂ — метиловый спирт (метанол), а также смеси азотной, фосфорной и серной кислот.

Недостатком кислотного травления является необходимость утилизации кислот. Особенно затруднен слив фтористоводородной кислоты, которую нейтрализуют специальными методами из-за повышенной активности фтора.

Анизотропным травлением получают микрорельеф (углуб­ления различных конфигураций, мезаобласти) на поверхности полупроводниковых пластин,

дифракционные решетки, разде­лительные канавки для диэлектрической изоляции и др.

Рис. 1.23. Анизотропное травление полупроводников

Обычно это травление является локальным, т.е. выполняется через окна и дорожки в маскирующих пленках SiO₂, Si₃N₄, поэтому его скорость, форма углубления и боковое подтравливание зависят от кристаллографического направления их сторон. Например, при травлении дорожек, ориентированных в направлении <110> на кремнии с ориентацией (100), можно получить V-образные, а в направлении <100> - прямоугольные дорожки.

Анизотропное травление кремния производят в водном растворе КОН с концентрацией 300-350 г/л. При добавлении в щелочной травитель Н-пропилового или изопропилового спирта температура травления снижается до 70-80 °С. Для арсенида галлия используют кислые или щелочные растворы перекиси водорода и безводные растворы брома в диметилформамиде или метиловом спирте.

Селективное травление применяют для выявления на поверхности пластин дислокаций, дефектов упаковки, точечных дефектов, линий скольжения, а также микроцарапин и микровыколов. Для повышения избирательности действия в состав травителя вводят поверхностно-активные вещества, которые увеличивают разность между скоростями травления дефектного и бездефектных участков.

В качестве травителя для пластин кремния ориентации (111) используют смесь из 250 г хромового ангидрида СгО₃, 500 мл воды и 500 мл фтористоводородной кислоты HF, а ориентации (100) - бихроматный травитель, состоящий из 22 г К₂Сr₂0₇, 500 мл Н₂О и 1000 мл HF. Для селективного травле­ния пластин арсенида галлия ориентации (111) применяют тра­витель, состоящий из 2 ч. Н₂О, 1 ч. Сr0₃ и 1 ч. HF с небольшой добавкой азотнокислого серебра АgNО₃, а ориентации (100) - расплав КОН при 300-350 °С. Для четкого выявления дефектов на протравленной поверхности время травления должно быть 1-2 мин.

ХИМИЧЕСКИЕ ЖИДКИЕ СМЕСИ ДЛЯ ТРАВЛЕНИЯ

(применяемые в микроэлектронном производстве)

Обработку пластин травлением в жидких смесях применяют для удаления загрязнений, оставшихся после отмывки в раство­рителях (пленки оксидов и механически нарушенного слоя, возникающего при резке, шлифовке и полировке), доведения толщины исходных пластин до заданных размеров, выявления границы p-n-переходов и структурных дефектов, получения за­данного рельефа на поверхности (лунок, мезаструктур, рисунка) , а также при различных структурных исследованиях.

Структура нарушенного слоя после резки:

I – зона рельефа,

II – зона трещин и дислокационных скоплений,

III – упруго-деформированная зона.

Рис. 2.4. Три зоны стравливания поверхности полупроводников

I зона состоит из поликристаллических структурных элементов, толщина ее составляет 0,3-0,5 размера микронеровностей.

Непосредственно под рельефом находится зона II – зона трещин и дислокационных скоплений, которые являются главными дефектами резки. Это наиболее глубокая зона нарушений. Этот слой в 3-6 раз толще, чем первый, и имеет мозаичную структуру. Плотность и размер трещин уменьшается с глубиной. Между трещинами действуют упругие напряжения.

В зоне III находятся области с остаточными упругими напряжениями.

В зависимости от обрабатываемого материала для травления используют кислоты, щелочи и соли, которые должны содержать минимальное количество посторонних примесей и механических включений. Травильные смеси приготовляют из материалов трех основных марок: ХЧ (химически чистый), ЧДА (чистый для анализа) и Ч (чистый).

Кислоты — это химические соединения, молекулы которых состоят из кислотного остатка и связанных с ним атомов водо­рода, способных замещаться атомами металлов с образованием солей. Кислоты бывают кислородные (Н₂ SO₄, Н₂ CO₃, HNO₃ и др). и бескислородные (HCl, H₂S, HF и др.). Число атомов водорода в молекуле кислоты определяет ее основность. Так, кислоты HCl, HF, HNO₃ - одноосновные, Н₂ SO₄, Н₂ CO₃ - двух­основные, а Н₃ PO₄ - трехосновная. Многие кислоты хорошо растворимы в воде. По степени диссоциации в водных растворах различают сильные (Н₂ SO₄, HCl, HNO₃), средние (Н₃ PO₄, HF) и слабые (СН₃СООН) кислоты. Для обнаружения кислот ис­пользуют индикаторы - красители, обладающие способностью в присутствии кислоты изменять свою окраску. Например, водные растворы лакмуса (или лакмусовая бумага) и метилоранжа в присутствии свободных кислот окрашиваются соответственно в красный и розовый цвета.

Необходимо помнить, что все кислоты при попадании на кожу вызы­вают сильные ожоги, поэтому работать с ними необходимо в резиновых перчатках, халате и фартуке.

Щелочи - это растворимые в воде основания. Хорошо раст­воримыми в воде основаниями являются широко применяемые в полупроводниковом производстве КОН и NaOH. Щелочи, как и кислоты, являются ядовитыми веществами и сильно разъедают кожу, вызывая ожоги. Растворимые в воде щелочи изменяют ок­раску индикаторов: лакмуса - в синий цвет, а фенолфталеина - в малиновый.

Соли - это химические соединения, молекулы которые состоят из атомов кислотного остатка и связанных с ними ато­мов металла. Обычно соли являются продуктами замещения атомов водорода атомами металла в кислотах.

Травители для германия приготовляют в зависимости от тре­бований химической обработки: зеркальности или матовости поверхности пластин, селективности, выявления дефектов и др. Для травления германия используют пергидролевые, щелочные и кислотные травители.