Скорость травления будет различной для плоскостей кристаллов с различной плотностью упаковки атомов, а само травление будет анизотропным. Для полупроводников с алмазоподобной кристаллической решёткой (Si, Ge), как правило, наблюдается следующее соотношение скоростей травления: υ(100)> υ(110)> υ(111).
Если на поверхности подложки имеются дефекты, то в этих местах происходит локальное увеличение скорости травления. «Дефектное» место растравливается с образованием фигуры (ямки) травления, форма которой определяется кристаллографической ориентацией поверхности подложки. Поэтому в данном случае гладкую поверхность получить не удаётся. Травители с кинетическим контролем называют дифференциальными, а процесс травления – селективным.
С увеличением времени процесса даже селективные травители проявляют тенденцию к выравниванию поверхности. Кроме того, в начальный момент времени процесса травления отсутствует диффузионное ограничение, т.е. все травители работают селективно.
Химическое травление кремния.
Механизмы травления полупроводников
При отсутствии электрического поля травление полупроводников в жидких средах может происходить по двум принципиально разным механизмам:
- химическому;
- электрохимическому.
Особенности химического механизма травления
При химическом механизме травления на поверхности полупроводника протекают окислительно–восстановительные реакции, обусловленные непосредственным, чисто химическим взаимодействием молекул травителя с поверхностными атомами. При этом все продукты реакции в виде растворимых комплексов полупроводника образуются в травителе одновременно.
Процесс травления полупроводников по данному механизму подчиняется законам химической кинетики гетерогенных реакций.
Травление кремния в щёлочи
Si + 2H2O → SiO2 + 2H2↑; (31.1)
SiO2 + xH2O → SiO2 · xH2O; (31.2)
SiO2 · xH2O + 2KOH → K2SiO3 + (x+1)H2O. (31.3)
Процесс травления кремния в щёлочи включает в себя реакции окисления кремния до его диоксида и восстановления воды при нагревании до молекулярного водорода (31.1). Наряду с этими процессами в системе происходит гидратация SiO2 (31.2) и взаимодействие со щёлочью гидратированного SiO2 с образованием метасиликатов (метасиликата калия) (31.3).
Электрохимическое травление кремния.
Механизмы травления полупроводников
При отсутствии электрического поля травление полупроводников в жидких средах может происходить по двум принципиально разным механизмам:
- химическому;
- электрохимическому.
Особенности электрохимического механизма травления
При электрохимическом механизме травления на поверхности полупроводника протекают две сопряжённые реакции: анодного окисления полупроводника и катодного восстановления окислителя. Электрическая связь между анодами и катодами осуществляется через раствор травителя
Пример: травление кремния в смеси кислот
HNO3 – HF.
Анодные реакции
На микроанодах поверхности протекает анодная реакция окисления кремния, а также комплексообразование и перевод в раствор атомов кремния в виде устойчивых комплексных анионов.
Схема анодной реакции:
Si + 2H2O + ne+ → SiO2 + 4H+ +(4 – n)e–, (31.4)
SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O, (31.5)
где n – эффективная валентность саморастворения кремния (количество ковалентных связей, удерживающих поверхностный атом), которая в зависимости от условий протекания реакции может изменяться от 2 до 4, e+ – дырки, e– – электроны. Анодная реакция сопровождается разрывом ковалентных связей поверхностных атомов, при участии дырок, которые создаются при протекании катодной реакции.
Катодные реакции
На микрокатодах поверхности протекает катодная реакция восстановления основного окислителя (HNO3):
HNO3 + 2H+ + 2e– → HNO2 + H2O. (31.6)
Реакция (31.6) протекает в несколько этапов:
HNO3 + HNO2 → 2NO2 + H2O; (31.7)
NO2 → NO2– + e+; (31.8)
NO2– + H+ → HNO2 (31.9)
Наименее медленной стадией является реакция (31.7),в ходе которой из молекул HNO3 регенерируются молекулы диоксида азота NO2. Для начала реакции необходимо присутствие в растворе некоторого количества молекул азотистой кислоты HNO2. Затем происходит её накопление в растворе согласно реакции (31.9). В ходе реакции (31.8) происходит генерация дырок за счёт захвата электронов из валентной зоны кремния. Эти дырки затем расходуются в анодном процессе и ответственны за отрыв атомов кремния от поверхности.
32. Материалы, подвергаемые химическому травлению. Жидкостное травление плёнок оксида и нитрида кремния.
