Deci, așa cum am înțeles deja, prelucrarea chimică este realizată pentru a obține plăci suficient de netede fără straturi sparte, precum și pentru a îndepărta selectiv regiunile necesare. Prelucrarea chimică este înțeleasă ca fiind următoarele procese:
Dizolvarea siliciului apare, de regulă, în reacțiile de reducere a oxidării. În acest caz, se disting două etape principale ale procesului:
a) difuzie, adică transportul reactivilor la interfața "soluție de siliciu" și retragerea acestora din această limită;
b) chimice, adică transformare chimică completă.
Procesul chimic începe imediat ce semiconductorul este adus în contact cu solventul lichid. Este bine cunoscut faptul că proprietățile de suprafață diferă de proprietățile volumului de materie și că există o încărcătură necompensată pe suprafață. Încărcarea atrage ioni opuși în semn din soluție și se formează un strat dublu sau mai precis un strat triplu electric la interfață.
Așa cum se poate vedea din fig. 4.1, placa IC poate fi considerată un fel de condensator. O placă a acestui condensator este Si cu starea de echilibru a purtătoarelor actuale care este stabilită după contactul cu electrolitul și îndoirea corespunzătoare a benzilor de energie. Un alt strat este stratul de energie din electrolit, constând din două părți: stratul de suprafață apropiat (stratul Helmholtz) și stratul de difuzie.
Fig. 4.1. Structura plăcii IC în cazul încărcării necompensate
Stratul Helmholtz nu este de obicei mai mult decât o rază ionică, în timp ce stratul de difuzie se poate extinde mai departe în soluția de reactiv. Grosimea ultimului este determinată, de obicei, de temperatura soluției reactivilor, concentrația și valența ionilor soluției.
Luați în considerare reacția dizolvării anodice a siliciului în soluții de acid alcalin caustic sau acid fluorhidric și sărurile sale. Există două moduri de reacție:
a) formarea oxidului de siliciu hidratat datorat ionilor OH - urmată de participarea ionilor de fluorură F-. transferarea oxidului într-un complex solubil în apă;
b) reacția directă a ionilor de fluor cu siliciul.
Una din primele etape ale reacției este formarea compușilor care conțin ioni de fluor pe suprafața siliciului. În soluțiile care nu conțin ioni de fluor, siliciul este acoperit cu un film de oxid care împiedică dizolvarea. O peliculă de oxid normal, solubilă, este de obicei prezentă întotdeauna pe suprafața siliciului, datorită căreia potențialul său staționar (
0,1 V) diferă de cea calculată și reacțiile de dizolvare se încetinesc.
Să luăm în considerare curbele de polarizare pentru dizolvarea anodică a siliciului n și p în soluția HF.
Fig. 4.2. Curbele de polarizare a dizolvării anodice a soluției de Si în HF
Dacă p-siliciul se dizolvă aproape fără limitări actuale, se observă limitarea curentă datorată insuficienței gaurilor pentru n-siliciu. Din reacțiile care apar la anod, cea mai dificilă din punct de vedere chimic este detașarea atomului de siliciu de la suprafață. Ionii negativi, de exemplu OH, formează cu ușurință legături cu atomi de siliciu de suprafață, dar pentru a îndepărta oxidul hidratat în electrolit, este necesar să se rupă legătura dintre atomii de siliciu, adică acest lucru necesită o "gaură". Trebuie remarcat faptul că cea mai lentă reacție este întreruperea legăturilor dintre atomii de siliciu.
Principalele reacții catodice pe siliciu sunt evoluția hidrogenului și reducerea moleculelor de oxidanți. Adsorbit pe siliciu, hidrogenul creează complexe de suprafață care afectează puternic proprietățile suprafeței. Când reacțiile catodice formează de obicei compuși chimici - hidruri de siliciu.
Ambele reacții anodice și catodice, care se întâlnesc de obicei pe microanoduri și microcatodi separați spațial pe suprafața siliciului, se pot realiza simultan în cazul echilibrului chimic. În funcție de care dintre reacții este limitarea (adică cea mai lentă), se disting limitele anodice și catodice ale procesului de gravare.
Fig. 4.3. Diagrama proceselor de dizolvare a Si
Luați în considerare gravarea siliciului într-un amestec de acid fluorhidric (HF) și acid azotic (HNO3). Microanodurile în acest caz sunt urmate de reacții de formare a oxidului de siliciu și de transformarea acestuia în acid silicofluoric.
aici n este numărul de găuri.
Pentru cazul acidului azotic:
Moleculele oxidante HNO3 recuperate pe microcatoduri captează electroni și provoacă injecția gaurii direct în microanodul vecin. Prin controlul fluxului de oxidant în microcatoduri (de exemplu, modificarea concentrației sau difuziei), este posibilă controlul dizolvării anodice. O asemenea restricție catodică face posibilă obținerea de suprafețe netede gravate fără un strat perturbat.
O restricție anodică poate fi realizată prin reglarea fluxului de ioni de fluor în microanoduri conform reacției (4.2). Practic, această limitare apare spontan, deoarece reacțiile anodice sunt asociate cu distrugerea rețelei. Dizolvarea siliciului în acest caz are loc în principal pe defecte de suprafață (gravură selectivă) sau pe anumite planuri cristalografice (gravură anizotropă).
Silvarea gravată cu restricție catodică este utilizată pentru a produce plăci cu o suprafață plană de înaltă calitate. Rolul decisiv aici este jucat de difuzia oxidantului pe suprafața plăcii IC siliconice.
Rata dizolvării depinde de relieful de suprafață.
Fig. 4.4. Dependența ratei dizolvării pe topografia de suprafață
Conform legii lui Fick
unde V este rata de difuzie a moleculelor oxidante; D este coeficientul de difuzie; Cp, Co sunt concentrațiile de echilibru ale oxidantului, respectiv, în soluție și pe suprafață; X este grosimea stratului de etanșare prin care are loc difuzia.
După cum se poate observa din graficul din Fig. 4.4, la vârfurile suprafeței, rata de dizolvare este mai mare decât în văile datorită diferenței distanțelor XB și XBn. Pe măsură ce vârfurile sunt albite, valorile abordării XB și XBn și diferența în ratele de gravare scade la o valoare neglijabilă. O astfel de situație va corespunde unor neregularități de suprafață de ordinul a 0,2-0,3 μm.
Dacă se aplică un polarizator de tensiune pozitivă la siliciu, procesul de dizolvare anodică poate fi mai ușor de controlat și astfel se îmbunătățește calitatea tratamentului de suprafață (așa-numita electroliză). În acest procedeu, la suprafața siliciului este creată o peliculă subțire vâscoasă de produse de dizolvare, care are o rezistență electrolitică care mărește rezistența electrolitului în sine. Grosimea acestui film, numită pelicula de polimerizare, este mai mică decât vârfurile deasupra depresiunilor. Din această cauză, are loc o redistribuire a curentului anodic, iar vârfurile sunt gravate mai repede decât depresiunile. Cu cât este mai subțire pelicula de polizare, cu atât este mai bună calitatea suprafeței plăcii. Grosimea și rezistența peliculei electrolitice depind de un număr de factori și, în primul rând, de compoziția soluției, de viteza de amestecare și de temperatură.
La densități scăzute de curent, dizolvarea anodică a siliciului este însoțită de formarea unei pelicule amorfe groase ca rezultat al următoarei reacții:
Compușii fluorici ai siliciului divalent, din care este compus filmul, se dizolvă încet în apă cu evoluția hidrogenului :.
Hidrogenul eliberat amestecă electrolitul și filmul electrolist nu se formează.
La o densitate de curent mai mare, procesul de dizolvare anodică accelerează, dar devine limitat de lipsa moleculelor de acid HF, difuzând din volumul electrolitului. În acest sens, creșterea unui film amorf gros încetinește și apare un nou act electrochimic de dizolvare a siliciului :.
Produsul de reacție este acidul silicofluoric, care are o rezistență mai mare decât volumul electrolitului. O peliculă de rezistență ridicată este creată la suprafața siliciului, curentul scade, iar procesul de electroliză începe într-un interval de densitate de curent îngust. La valori ridicate ale densității curente se formează un film pasiv de dioxid de siliciu.
Reacțiile de gravare cu restricție catodică luate în considerare au energii de activare scăzute Ea. Astfel de energii sunt de obicei caracteristice proceselor limitate prin difuzie. Agenții de degradare cu restricție anodică, pe de altă parte, se caracterizează prin energii de activare ridicate. Valorile mari ale energiei de activare indică faptul că întregul proces este determinat de stadiul chimic, mai degrabă decât de difuzie. În plus, valorile ridicate ale energiei de activare conduc la o diferență accentuată a vitezelor de gravare a siliciului pe diferite planuri cristalografice, adică gravura anizotropă.
Gravarea anizotropică este folosită pe scară largă în tehnologiile de fabricație IP. Cu toate acestea, etanșanții anizotrofi necesită încălzire aproape la Tcip.
Trimiteți-le prietenilor: