4.2. Анизотропное травление
Особенностью анизотропного трав¬ления является то, что в разных
кристал¬лографических направлениях скорость удаления атомных слоев с поверхности
травления, т.е. скорость травления, имеет неодинаковые значения. Это объясняется
различной плотностью упаковки атомов в разных плоскостях, а также различным
характером связи поверхностных атомов между собой и с атомами, расположен¬ными в
объеме кристаллической структу¬ры полупроводника. Скорость травления в
зависимости от кристаллографического направления соответствует следующему ряду:
V[100] > V[110] > V[210] > V[211] >V[221] > V[111].
Для получения ЧЭ микродатчиков кремниевые заготовки в виде пластин ча¬ще всего
ориентируют в плоскостях (100), (110), (111).
Анизотропные травители представ¬ляют собой многокомпонентные раство¬ры,
состоящие из окислителя кремния до гидратированного диоксида, растворителя
последнего и замедлителя или ускорителя процесса травления. В составе травителей
используются системы: гидразин - вода; гидразин - изопропиловый спирт - вода;
этилендиамин - пирокатехин-вода; едкое кали - пропиловый спирт - вода; едкий
натр - вода; едкое кали - изопропиловый спирт - вода и др. В этих системах
эти¬лендиамин, гидразин и едкое кали выпол¬няют роль окислителя; пирокатехин,
про¬пиловый и изопропиловый спирт - ком¬плексные агенты. Вода служит
катализа¬тором.
Процесс анизотропного травления заключается в поэтапном удалении атом¬ных слоев
(слой за слоем) с поверхности кристалла, т.е. в процессе травления на
поверхности кристалла образуются мик¬роскопические ступеньки. Поэтому
ани¬зотропное травление не дает зеркальных поверхностей и полученный элемент
об¬рабатывают в течение 30 с в полирующем растворе изотропного травителя,
сос¬тоящего из смеси плавиковой, уксусной и азотной кислот, взятых в пропорции 1
: 1,2 : 6,2. Обработка в полирующем растворе сглаживает микронеровности,
остающиеся после анизотропного травле¬ния. В результате повышается также пре¬дел
прочности до разрушения ЧЭ в 3-4 раза.
На скорость травления значительное влияние оказывают концентрация приме¬сей и их
тип в кремнии. Поэтому при травлении р- и n-кремния в составы ани¬зотропных
травителей вводят различные присадки. Разработаны также разнообраз¬ные
самотормозящиеся виды травления. Комбинируя предварительные диффузии с
анизотропными и изотропными трави-телями, можно получать с заданной раз¬мерной
точностью весьма сложные объ¬емные микроформы ЧЭ.
Скорость травления диоксида крем¬ния во всех применяемых травителях ока¬зывается
значительно ниже скорости травления кремния. Поэтому при локаль¬ном травлении
защита поверхности кремниевой пластины от травления может
Рис. 2.23. Анизотропное травление в плоскостях (100) и (110):
а-(100); б-(110)
быть осуществлена с помощью оксидной пленки. Оксидные маски локализуют процесс
травления профилированных уг¬лублений, сквозных отверстий и пазов. На рис. 2.23
показаны формы углублений [17] и соответствующие им маски при анизотропном
травлении на плоскостях (100) и (110).
При воздействии травителя на плос¬кости (100) и ориентации кромок оксид¬ной
маски в направлении [110] скорости травления в направлениях [100] и [111]
отличаются на два порядка и больше. В результате происходит смыкание граней
(111) при незначительном подтравлива-нии под маску (рис. 2.24).
При этом размер дна L1 образующей¬ся канавки определяется уравнением
,
где - размер ширины канавки в маске; t - время травления; А = - степень
анизотропии травления; V100, V111 - ско¬рости травления в направлениях [100] и
[111]; - угол между плоскостями (100) и (110).
Смыкание боковых граней возможно, если А > 1/ . Время, необходимое для
смыкания, равно
Глубина травления в момент смыка¬ния определяется формулой:
При высокой степени /анизотропии (V100 >>V111) приведенная формула упро¬щается:
Рис. 2.24. Формы фигур анизотропного травления кремния на плоскости (100)
Необходимый размер окна в маске для заданной глубины определяется зависимостью
. Подтравлива-ние под маску определяется формулой .
Приведенные соотношения могут быть использованы и при расчете пара¬метров
травления на плоскости (110) при подстановке соответствующих значений V и .
2.4.3. Другие виды травления
При любых видах химических травителей эффективность их воздействия воз¬растает
при перемешивании растворов. В химико-динамическом травлении ис¬пользуют мешалки
лопастного типа и ультразвуковые вибраторы. Избиратель¬ное удаление слоя кремния
и других ма¬териалов при наличии защитной маски возможно с помощью вакуумно-
плазменного травления, которое обеспечивает избирательность, скорость и
анизотроп¬ность травления. Слой кремния удаляется путем химического
взаимодействия ионов и радикалов активного газа с атомами кремния с образованием
летучих соеди¬нений.
Плазмохимическое травление под¬разделяется на плазменное и радикаль¬ное. В
первом случае пластины кремния находятся непосредственно в плазме хи¬мически
активных газов [четыреххлори-стый углерод СF4 или дифтордихлорметан СF4Сl2
(фреон-12)], а во втором пластины находятся в вакуумной камере, отделен¬ной от
газоразрядной химически активной плазмы перфорированными металличе¬скими
экранами или магнитными и элек¬трическими полями.
Разряд возбуждается высокочастот¬ным генератором мощностью до 300 Вт и "горит"
вне камеры, в которой находятся пластины. Давление в камере -0,01 Па. Скорость
травления -400 нм/мин. После травления промывки практически не тре¬буется.
Электролитическое травление ре¬комендуется применять при обработке кремния в
плоскости (111). В качестве травителей используют растворы кислот и щелочей,
например плавиковую кислоту, щелочь КОН.
При электролитическом локальном травлении воспроизводимость формы лу¬нок
травления определяется в основном воспроизводимостью скорости травления, которая
зависит кроме всех отмечавшихся ранее факторов от значения и способа подведения
напряжения между поверхно¬стью травления и электролитом. Напри¬мер, увеличение
плотности тока обеспе¬чивает, в общем, рост скорости травления и улучшает
качество поверхности. Однако при этом, как правило, ухудшается рав¬номерность
фронта травления.
Изменение анодного тока влияет также на отношение размеров бокового
подтравливания под край защитной маски к глубине травления. При малой плотно¬сти
тока характер травления практически совпадает с изотропным. В случае увели¬чения
тока травление в глубину начинает превалировать над травлением под маску, что
происходит, по-видимому, из-за пере¬распределения анодного тока между
раз¬личными участками поверхности лунки травления.
Применение электроискрового микропрофилирования кремния ограни¬чивается размером
инструмента (элек¬трод) и наличием на поверхности пластин микротрещин. Наиболее
приемлем ком¬бинированный способ обработки: вначале электроискровой обработкой
получают предварительные размеры, а затем с по¬мощью электролитического
травления или полирующими травителями доводят размеры до заданных значений.
Травление поликристаллического кремния. Практически все травители,
воздействующие на монокристаллический кремний, травят и поликристалл. Однако
более перспективны травители, в которых пленка диоксида кремния оказывается
надежной защитой при локальном травлении пластины на большую глубину, на¬пример
почти на всю толщину пластины.
По сравнению с изотропным травле¬нием монокристаллического кремния травление
поликристаллического кремния приводит к несколько худшей воспроиз¬водимости
формы упругих элементов преобразователей из-за существенно большей
неоднородности поликристалла. Но в отличие от изотропного травления
рассматриваемый процесс характеризует¬ся определенной направленностью. Во всех
случаях боковое подтравливание под край маски происходит медленнее, чем
травление в глубину.
Электролитическое травление наряду с изотропным является одним из самых
распространенных и хорошо отработан¬ных методов травления полупроводников.
Микропрофилирование сапфира основано на травлении в потоке водорода и метана при
температуре 1900 °С и дав¬лении 1,3 Па. Локальность травления обеспечивается
маскированием поверхно¬сти сапфировой пластины с помощью вольфрамовой пленки,
выращенной из парогазовой смеси. Указанное травление носит анизотропный
характер. Отношение скорости травления в глубину к скорости бокового
подтравливания равно 4. При травлении сапфира на глубину 100 мкм боковой растрав
< 25 мкм.
Травление защитных покрытий. Для защиты поверхности полупроводни¬кового кремния
наряду с оксидной плен¬кой SiО2 используется нитрид кремния Si3N4, а также
пленки из алюминия, золо¬та, хрома и др.
Для удаления оксидной пленки при¬меняется так называемый буферный тра-витель в
составе: плавиковая кислота НF -40%-ная, фтористый аммоний NН4F, вода в
соотношении 2:7: 1.
Заметим, что защитные металличе¬ские пленки различной толщины могут быть
получены за несколько десятков се¬кунд методом термического вакуумного
напыления.
Для размерного травления металли¬ческих пленок хорошо зарекомендовали себя
щелочные и кислотные травители.