3.2 Травление.

Классификация методов очистки пластин и подложек

К физическим методам удаления загрязнений относят растворение, отжиг, обработку поверхности ускоренными до больших энергий ионами инертных газов.

Эти методы используют в основном для удаления загрязнений, расположенных на

поверхности. Для удаления загрязнений на поверхности и в приповерхностном слое, в том числе тех, которые находятся в химической связи с материалом пластины или подложки, используют химические методы удаления. Они основаны на переводе путем химической реакции загрязнений в новые соединения, которые затем легко удаляются (травление, обезжиривание). Очистка, при которой удаляется приповерхностный слой пластины или

подложки, называется травлением.

Жидкостная очистка предусматривает использование водных и других растворов различных реактивов. Целый ряд органических жировых загрязнений не растворяется в воде и препятствует смачиванию водой и большинством растворов обрабатываемой поверхности (поверхность гидрофобная). Для обеспечения равномерной очистки поверхность пластин и подложек переводят в гидрофильное, т. е. хорошо смачиваемое водой, состояние. Процесс удаления жировых загрязнений, сопровождаемый переводом

поверхности из гидрофобного состояния в гидрофильное, называется обезжириванием.

Сухая очистка основана на использовании отжига, газового, ионного и плазмохимического травления. Эти способы исключают применение дорогостоящих и опасных в работе жидких химических реактивов; они более управляемы и легче поддаются автоматизации. Процессы сухой очистки являются наиболее эффективными также при обработке локальных участков и рельефной поверхности.

Первым этапом изготовления интегральной микросхемы является подготовка самой кремниевой подложки – пластины. Подложка проходит цикл изготовления слитка кремния, его ориентации, резки на пластины, шлифовки и полировки пластины. В процессе резки слитки и пластины загрязняются жирами и органическими веществами, входящими в состав клеящих паст и мастик, частицами абразива, ворсинками различных материалов. Наконец, на поверхности всегда осаждается пыль из окружающего воздуха. Поэтому первой операцией изготовления ИМС является химическая очистка поверхности пластин. Эта операция делится на два процесса: химическая очистка в растворителях и химическое травление.

Очистка поверхности начинается с обработки пластины в органических растворителях. После механической полировки проводится химико-динамическое травление поверхности пластины в полимерном травителе HF:HNO₃:CH₃COOH = 1:3:1 с последующей отмывкой в деонизованной воде.

Факторы влияющие на скорость химического травления кремния

Дефекты структуры полупроводника

Если полупроводник содержит большое количество структурных дефектов, особенно дислокаций, то в области выхода дислокации на поверхность полупроводника может образоваться ямка травления.

Ориентация поверхности полупроводника

Процессы адсорбции и комплексообразования определяются числом связей, удерживающих атомы на поверхности, направлением этих связей и расстоянием между атомами. Наибольшая скорость травления (100). Наиболее медленно травится плоскость (111). Можно подобрать компоненты травителя таким образом, что скорости травления плоскостей (100) и (111) будут различаться в 50 раз.

Концентрация компонентов травителя

Скорость процесса травления можно регулировать, вводя различные добавки. Замедлителем (ингибитором) реакции является ледяная уксусная кислота, ускорителем (катализатором) служит элементарный бром. Уксусная кислота, введенная в травитель, уменьшает диэлектрическую постоянную раствора и тем самым подавляет диссоциацию азотной кислоты на ионы. Кроме того, она сама диссоциирует с выделением большого количества ионов H⁺. В результате катодные реакции замедляются. На разных этапах технологического процесса могут использоваться полирующие травители с разным соотношением компонентов.

Температура раствора

Скорость химической реакции экспоненциально зависит от температуры. Травление полупроводника идет с большим выделением тепла. Возможная неравномерность травления может привести к неоднородному разогреву пластин и растравливанию в местах с наиболее высокой температурой.

Влияние примесей

При использовании полирующего травителя присутствие различных примесей и загрязнений на поверхности полупроводника может существенно изменить не только скорость, но и характер травления. Большинство неактивных газов (азот, аргон и другие) легко удаляются с поверхности. Напротив, кислород обладает очень высокой теплотой адсорбции, которая уменьшается в четыре раза после того, как на поверхности кремния образуется монослой окисла. Образовавшийся окисел маскирует кремний от воздействия травителя. Поэтому в присутствии ионов, способствующих растворению окисла, например ионов фтора, скорость травления растет.

Примеси, содержащиеся в объеме полупроводника при их сравнительно невысокой концентрации (менее 10¹⁸ см^–3), оказывают пренебрежимо малое влияние на скорость химического взаимодействия травителя с кремнием. При большой концентрации примесей скорость химической реакции может возрастать из-за увеличения концентрации структурных дефектов в поверхностном слое полупроводника, возникающих при введении примесей. Скорость травления на участках с различным типом проводимости может оказаться разной. В результате на поверхности полупроводника возникают ступеньки, полосы, бугорки.