Травление полупроводников

Травление полупроводников является ключевым технологическим процессом при создании интегральных схем, микроэлектронных устройств и наноструктурных элементов. Оно обеспечивает формирование рельефа на поверхности кристалла, удаление защитных слоев и создание заданной геометрии элементов. Процесс травления может быть химическим, плазменным или комбинацией этих методов.

1. Химическое травление

Химическое травление основано на взаимодействии поверхности полупроводника с жидкими химическими реагентами (травильными растворами), которые растворяют материал избирательно.

Ключевые аспекты:

  • Избирательность: Травильный раствор должен растворять только целевой материал, не затрагивая маскирующий слой или подложку.
  • Режим травления: Бывает либо изотропным, когда материал удаляется равномерно во всех направлениях, либо анизотропным, когда травление идет преимущественно в одном направлении.
  • Контроль скорости: Скорость химического травления зависит от концентрации раствора, температуры и подвижности ионов в жидкости.

Примеры химических реакций:

  • Травление кремния в растворах на основе фторидов:

    Si + 6HF → H2SiF6 + H2↑

  • Травление GaAs растворами на основе H2SO4 и H2O2:

    2GaAs + 3H2O2 + 6H+ → 2Ga3+ + 2AsO43− + 6H2O

Преимущества химического травления:

  • Простота оборудования.
  • Возможность одновременной обработки больших площадей.

Недостатки:

  • Ограниченная точность при формировании микро- и наноструктур.
  • Зависимость от чистоты химических реагентов.

2. Плазменное травление

Плазменное травление — это процесс воздействия на поверхность полупроводника активными ионами, радикалами и атомами в плазме газа. Он позволяет получать высокую точность и управляемую анизотропию.

Основные компоненты:

  • Реактивный газ (CF4, SF6, Cl2, O2) образует плазму под действием электрического разряда.
  • Ионизация и активация: Ионы ускоряются к поверхности, разрушая связи атомов и образуя летучие соединения.
  • Маскирование: Используются фотолитографические маски, устойчивые к плазме.

Режимы плазменного травления:

  • Химическое травление плазмой: Основная роль отводится химическим реакциям с радикалами.
  • Физическое (ионное) травление: Преимущественное удаление материала за счет энергии ионов.
  • Комбинированное (реактивно-ионное) травление: Совмещает химическое и физическое воздействие для высокой избирательности и анизотропии.

Преимущества:

  • Высокая точность формирования структур до нескольких нанометров.
  • Возможность травления сложных геометрий с вертикальными стенками.
  • Меньшее загрязнение по сравнению с химическим травлением.

Недостатки:

  • Сложность оборудования.
  • Требуется строгий контроль параметров разряда и состава плазмы.

3. Механизмы удаления материала

Травление полупроводников включает несколько ключевых механизмов:

  1. Химическая реакция на поверхности: Образование растворимых или летучих соединений.
  2. Ионная бомбардировка: Физическое выбивание атомов с поверхности.
  3. Комбинация реакций и бомбардировки: Повышение скорости и контролируемости процесса.

Факторы, влияющие на скорость и форму травления:

  • Тип полупроводника (Si, GaAs, InP, SiC и др.).
  • Кристаллографическая ориентация.
  • Наличие защитных слоев и масок.
  • Параметры процесса (температура, давление, концентрация реагента, мощность плазмы).

4. Анизотропия травления

Анизотропность — ключевое свойство травления, определяющее форму создаваемых структур.

  • Изотропное травление приводит к округлым или наклонным стенкам.

  • Анизотропное травление позволяет формировать вертикальные стенки и сложные микроструктуры.

  • Методы достижения анизотропности:

    • Использование плазменного или реактивно-ионного травления.
    • Контроль кристаллографической ориентации при химическом травлении.

5. Травление в микро- и наноэлектронике

В современных технологиях интегральных схем травление применяется для:

  • Формирования транзисторных каналов, контактных площадок и межсоединений.
  • Создания структур MEMS (микроэлектромеханических систем).
  • Изготовления фотонных и нанофотонных устройств.

Особые требования:

  • Минимизация дефектов поверхности.
  • Контроль стехиометрии на границах травления.
  • Высокая повторяемость и стабильность процессов на промышленном масштабе.

6. Технологические аспекты

  • Подготовка поверхности: Очистка и дегазация перед травлением.
  • Маскирование: Фото- и электроннолучевая литография.
  • Контроль процесса: Оптические методы, масс-спектрометрия, мониторинг плазмы.
  • Очистка после травления: Удаление остатков реактивов и масок, полировка поверхности.

Ключевые параметры контроля:

  • Скорость травления (нм/мин или мкм/ч).
  • Соотношение избирательности к маске и анизотропии.
  • Ровность стенок и минимизация шероховатости.
Оглавление