Жидкостное химическое травление (стр. 4 из 5)
Скорость травления, мкм/мин
Подтравливание (мкм/сторону)1)
Изотропный2)
Изотропный3)
Анизотропный4)
3
0.8
0.7
4
0.6
0.9
4
0.5
1.1
1.5d
1.0d
(0.1-1.0)d
1.5d
1.0d
<0.1d
1.5d
1.0d
<0.1d
Травитель | Применение |
| HF, HNO3, CH3COOHHF, HNO3, CH3COOHHF, KMnO4, CH3COOHHF, HNO3, H2O2+NH4OHHF, HNO3, CH3COOHHF, HNO3NH4F, H2O2HF, HNO3, I2HF, HNO3, CH3COOHHNO3, HBF4, NH4BF4NH4F, H2O2, NH4HPO4KOH+спирт | Все разновидности SiНизкоомный SiЭпитаксиальный SiУдаление примесей Cupnp - многослойные структурыpnp - многослойные структурыМинимальное подтравливаниеОбщее травлениеПодтравливание плоскости (100)Маска из резиста AZ-1350Скорости травления, Si/ФСС=2/1Поликристаллический Si |
Таблица 7. Анизотропные травители для кремния.
Травитель | Применение |
| Этиледиамин, пирокатехин, H7OЭтиледиамин, пирокатехинГидразин, ИПС, H2OКОН, sec-спиртыКОН, этиленгликольДиамины, КОН, ИПСКОН, ИПС, H2OR3N+OH, ИПС, H2OR3N+OH, поверхностно-активное ве-ществоR3N+OHH3PO4+следы As2O3CuF2, маска из резиста AZ-1350 | 100SiO2, Si3N4, выявление точечных проколов100, Al-маска100Текструрирование элементов солнеч-ных батарейНе разрушается Al100100H2Устранение Na+ из травителяn-типЭлектролитическое травление |
Травление многослойных структур.
Травление различных слоев многослойной структуры проводится в одном травителе простого или сложного состава. Желательно пользоваться однокомпонентным травителем. Основная проблема заключается в выборе травителя, обеспечивающего одинаковую скорость травления всех слоев, что предотвращает образование “елочного” профиля. Наиболее интенсивно изучалось травление сандвича Si3N4/SiO2, равенство скоростей травления которого требуется для получения окон с гладкими наклонными стенками. Пленки Si3N4 травятся лишь в HF или в кипящей H3PO4 при 180оС. В столь жестких условиях ни один из органических резистов не выдерживает. Травление Si3N4 в HF происходит по тому же закону, который определил Джадж для травления SiO2:
Cкорость травления=А(HF)+B(HF2-)+C (37)
Керн и Деккерт всесторонне рассмотрели травление Si3N4. В HF модно получить равные, но небольшие - около 10 нм/мин - скорости травления Si3N4 и SiO2: 1) подбором температуры и 2) соотношения HF/HF2-. Скорость травления оксида можно снизить до 10 нм/мин, разбавляя 10%-ную плавиковую кислоту. При низкой концентрации HF растворение SiO2 лимитируется не скоростью реакции, а диффузией (4 ккал/моль). Подбирая температуру смеси фосфорной или фторборной кислот, можно довести скорости травления SiO2 и Si3N4 до 10 нм/мин. Фосфорная кислота, однако, разрушает нижележащие слои Si и Al, что может быть уменьшено добавлением серной кислоты. Добавка диолефинов также предотвращает разрушение нижележащего слоя Al.
Рис.16. Травление сандвича Si3N4/SiO2: а-большая скорость травления SiO2; б-изотропное травление с одинаковыми скоростями.
Более высокие, но равные скорости травления были получены за счет изменения вязкости травителя при добавлении глицерина или других вязких спиртов (до 50% по массе), замещающих воду. Для смягчения действия HF добавляется также NH4F. Типичные края профилей травления в Si3N4/SiO2 показаны на рис. 16.
В другом подходе, включающем в себя обратное травление, используется слой вольфрама, нанесенный поверх
SiO2/ Si3N4 и прорисованный через резистную маску. Сначала подтравливается слой оксида, затем удаляется W, и слой Si3N4 профилируется через оксидную маску с требуемой топологией. Компромиссным составом для травления сандвича резист / Si3N4/ боросиликатное стекло является смесь 70% H3PO4, 29% глицерина и 1% HBF4 при температуре 103оС. При более высоких концентрациях HBF4 наблюдается быстрая эрозия резистов KTFR и AZ-1350.
Травление алюминия.
Жидкостное травление металлов включает в себя многие электрохимические процессы. Химическая реакция вызывает протекание тока, причем металл является анодом
M ® Mn+ + ne. (38)
Большинство металлов покрыто естественным окислом. Для удаления этого пассивирующего слоя добавляется вспомогательный травитель.
Известно большое число различных неорганических окислителей. Наиболее простые содержат Н+. Основная задача химика-технолога заключается в выборе подходящего окислителя, удовлетворяющего требованиям термодинамики:
DF = -nФDЕ, (39)
где DF - свободная энергия, DЕ - разность потенциалов окисления и восстановления (табл. 8).
Таблица 8. Металлы и окислители.
Металл | Окислитель | Металл | Окислитель |
| Al Zn Cr Ni | F2 H2O2 MnO4- Cr2O72- | Sn Cu Ag Au | Br2 HNO3 Fe2+ I2 |
Жидкостное травление Al изотропно и сопровождается уходом края профиля травления (рис. 1) на 1-2 мкм. Воспроизводимость размеров при травлении партии пластин составляет ±1 мкм. Структуры обычно перетравлены, так как металлические пленки содержат дефекты - зерна, преципитаты, а также подвержены напряжениям.
Металлы при контакте друг с другом изменяют свой электрохимический потенциал [см. формулу (38)] (гальванический эффект), что ускоряет их собственное травление и ведет к сильному подтравливанию нижележащего металлического слоя. Например, слой Al в NaOH стравливается сам по себе за 7 мин. При контакте с Pt/Au его травление оканчивается через 1 мин.
Травители для алюминия.
Травление алюминия проводится в щелочной или кислотной среде. Широко применяется травитель, состоящий из концентрированной H3PO4 (76%), ледяной уксусной кислоты (15%), концентрированной азотной кислоты (3%) и воды (5%) по объему. Согласно исследованиям, процесс состоит из двух стадий - формирования Al3+ и образования AlPO4, контролируемых скоростями соответствующих реакций:
Al2O3¾медленно® Al ¾-3еHNO3® Al3+ ¾быстро®
¾быстро® Пленка ¾медленно® Растворимый AlPO4. (40)
Вода в фосфорной кислоте препятствует растворению Al2O3, но она способствует растворению вторичного продукта AlPO4. Сила тока пропорциональна скорости травления. Если ток приложен к алюминию, то отмечается анизотропия травления.
Энергия активации травления Al в H3PO4/HNO3 равна 13.2 ккал/моль, что предполагает ограничение процесса скоростью растворения Al2O3 в H3PO4. Выделяемый газ есть смесь Н2, NO и NO2. Адсорбция газов на поверхности Al является постоянной проблемой при использовании вязких травителей. Пузырьки способны замедлять травление - под ними образуются островки недотравленного металла, которые могут замыкать близко расположенные проводники.
Рис. 17. Образование пузырьков во время жидкостного травления пленки железоникелевого сплава. Преимущест-венная адсорбция газообразных продуктов на боковой стенке ограничивает боковое подтравливание.
Неожиданным примене-нием адсорбции пузырь-ков явилось ее исполь-зование для сглаживания краев профиля при травлении железонике-левых пленок в HNO3 (рис. 17). Как только начинается процесс трав-ления, пузырьки окиси азота собираются вдоль боковой кромки. Адсор-бированный промежуточ-ный продукт NO2
действует как сильный окислитель при травлении металла, и травление в боковом направлении ускоряется. Адсорбция газов на боковой стенке (рис. 17) использовалась также для снижения бокового подтравливания Al при его травлении в Н3РО4. Снижение давления в камере травления с 105 до 103 Па приводило к уменьшению подтравливания с 0.8 до 0.4 мкм. В результате адсорбции мелких пузырьков водорода на боковой стенке на ней образовывался эффективный диффузионный барьер.
Для снижения бокового подтравливания Al с 1.0 до 0. 25 мкм было предложено несколько травителей (табл. 9), содержащих добавки сахарозы (полиспирта) и ПАВ.
Таблица 9. Травители для алюминия.
Травитель | Резист1) | Применение |
| 1. Na3PO4, Na2CO3, K3FeCN62. K3FeCN63. H3PO4, HCLO4, H2O, ПАВ4. H3PO4, HNO3, ПАВ, сахароза5. HCl6. HCl, HNO3, Cu(NO3)27. Щелочь, изопропанол8. ДНХ-проявитель | ДХН, АК АК ДХН,АК АК АК | Уменьшение подтравливания до 0.5 мкмМинимизация количества пузырьковУменьшение подтравливанияПодтравливание 0.25 мкмВсе гальванически осажденные металлы, включая Al; травление распылением электролита, устранение подтравливанияУстранение неоднородности травления Al/CuУниверсальный травительAl разрушается при достаточной концентрации проявителя |
1) АК - циклокаучук с азидами, резисты типа KTFR; ДХН - новолак с хинондиазидами, резисты типа AZ-1350.