Химическая, химико-динамическая, электрохимическая и плазмохимическая обработка полупроводниковых пластин.
Химическая обработка полупроводниковых пластин.
Процесс химической обработки полупроводниковых подложек состоит в растворении их поверхностного слоя под действием кислотных или щелочных травителей. Избыток травителя и фиксация температуры позволяют производить процесс химической обработки с постоянной скоростью и таким образом точно рассчитать толщину удаляемого слоя полупроводникового материала.
Однако следует учитывать тот факт, что скорость травления слоя, нарушенного при механической обработке, значительно выше, чем скорость травления исходного ненарушенного материала.
________________________________________________________________
Травление германия. Основными составными частями травителей для германия является азотная и плавиковая кислоты, а также перекись водорода. Азотная кислота является сильным окислителем германия, а плавиковая хорошо растворяет диоксид германия. При использовании в качестве травителя перекиси водорода химическая обработка германия проводится при температуре 70—80°С. К основным частям травителя иногда вводят добавки, которые играют роль ускорителей химической реакции (бром) или замедлителей (уксусная кислота).
Травление кремния. Химическая инертность кремния объясняется наличием на исходной пластине оксидной пленки, которая растворима только в водных растворах щелочей и плавиковой кислоты. Поэтому для химической обработки кремния используют два вида травителей; кислотный и щелочный. В качестве кислотных травителей применяют различные смеси азотной и плавиковой кислот.
За счет разницы в концентрации травителя у выступов и впадин, которые имеют место на поверхности кремния, происходит более быстрое растворение выступов. Это приводит к сглаживанию. Поверхности полупроводниковой подложки.
В качестве щелочных травителей используют водные (10—20%) растворы КОН и NaOH. Травление кремния в щелочных составах проводят при температуре 90—l00°C. Обработка в щелочных травителях не дает желаемой зеркальной поверхности кремния, поэтому данный вид травителя в качестве полирующего не нашел широкого практического применения в промышленности. Однако щелочный травитель часто используют для так называемого анизотропного травления, т. е. в тех случаях, когда требуется вытравить на поверхности подложки лунку определенной формы. Особый интерес представляют лунки V-образной формы, широко используемые для изоляции отдельных областей ИС.
Селективным травителем для кремния является смесь N2H4 с водой. Этот травитель обеспечивает высокую скорость травления кремния (около 0,05 мкм/с при температуре 120°С) в направлении перпендикулярном плоскости подложки и совпадающем с кристаллографической плоскостью (100).
Химико-динамическая обработка полупроводниковых пластин.
Если проводить процесс химической обработки таким образом, что исходная полупроводниковая подложка будет находиться в статическом (неподвижном) положении, то процесс растворения полупроводникового материала будет проходить неравномерно по всей поверхности подложки. Это объясняется различной концентрацией травильного раствора на различных участков поверхности, неравномерным выделением теплоты на неровностях поверхности подложки, неравномерным подводом травителя к разным участкам подложки.
Для устранения этих нежелательных эффектов в полупроводниковой технологии применяют так называемую химико-динамическую обработку полупроводниковых подложек. Принцип химикодинамической обработки заключается в активном перемешивании травителя непосредственно у поверхности подложки и постоянном вращении подложки в объеме травителя. Перемешивание травителя способствует быстрейшему выравниванию состава травителя по всему объему травильной камеры и, как следствие, приводит к равномерности процесса химической обработки полупроводниковой подложки.
Установка химико-динамического травления полупроводниковых подложек включает в себя в качестве основного узла фторопластовый барабан-стакан, в который помещены кассеты с подложками. Барабан-стакан наклонен к плоскости нормали под углом 20—40° и соединен через редуктор с валом двигателя. При включении двигателя барабан-стакан начинает вращаться с заданной скоростью, а помещенные внутрь кассеты с подложками перекатываются по его внутренней поверхности.
Установка снабжена автоматическим устройством для загрузки и выгрузки кассет с подложками, а также для плавной регулировки скорости перемещения подложек в процессе травления. Ванны для травления, а также емкости с запасом кислот полностью изолированы от оператора, что гарантирует безопасность проведения химико-динамического процесса обработки подложек.
Электрохимическая обработка полупроводниковых пластин.
Электрохимическая обработка полупроводниковых подложек включает в себя два процесса: электролитическое анодное растворение и анодно-механическое травление полупроводниковых материалов.
Процесс электролитического анодного растворения осуществляют, подавая на подложку, погруженную в электролит, положительный потенциал. Химические превращения происходят там, где ионный механизм электропроводности в растворе изменяется на электронный в полупроводнике и металле. Весь процесс является окислительно-восстановительной реакцией, причем анод служит окислителем, так как он принимает электроны, а катод—восстановителем, так как он отдает их.
Обработка в смеси (H2S+H2). Взаимодействие кремния с сероводородом происходит при высоких рабочих температурах (порядка 1200°С). Реакция имеет вид Si(тв)+ H2S(газ) = SiS(пар) + Н2(газ).
Для обработки кремния используют 0,5%-ный сероводород в потоке водорода. Основным недостатком сероводорода является его токсичность. Эпитаксиальные слои, выращенные на кремниевых обработанных в парогазовой смеси (H2S+H2), содержат меньшее количество дефектов упаковки и посторонних включений.
Обработка в смеси (SF6+H2). В отличие от сероводорода гексафторид серы является веществом нетоксичным. Его использование для парогазовой обработки кремния дает возможность снизить рабочую температуру процесса до 1000° С. Реакция взаимодействия имеет вид:
5Si(тв)+2SF6(пap)=2SiS(пap)+3SiF4(пар)
Процесс обработки в смеси (SF6+H2) используют для локального травления кремния. Он позволяет получать углубления (лунки) с плоским дном и перпендикулярными боковыми гранями.
Плазмохимическая обработка полупроводниковых пластин.
Плазмохимическая обработка используется в процессах удаления поверхностного слоя материала подложки, находящейся в твердой фазе, при взаимодействии этой подложки с плазмой активных газов или смесей газов. В этом случае протекает процесс реактивного травления материала подложки.
Процесс плазмохимической обработки подложек отличается от ионно-плазменного процесса тем, что удаление вещества с поверхности подложки происходит не только в результате бомбардировки ее положительно заряженными ионами плазмы, но и вследствие химического взаимодействия подложки с активными реагентами плазмы.
Способ плазмохимической обработки подложек обладает рядом преимуществ. Во-первых, он легко управляем и позволяет проводить регулировку режима на всех стадиях его проведения. Bo-вторых, он имеет незначительную инерционность. В-третьих, это процесс «сухой», не требующий жидких травителей. В-четвертых, плазмохимический способ обладает высокой разрешающей способностью и точностью обработки поверхности подложки.
При плазмохимической обработке можно совместить в одной камере несколько различных технологических операций: очистку поверхности, травление и осаждение новых слоев. Это позволяет резко снизить возможность загрязнения подложек, а также исключить такие трудоемкие технологические операции, как промывка и сушка подложек.
Изотропное травление кремния проводят в газовой смеси CF4+O2+N2. В низкотемпературной плазме происходит разложение СF4 с выделением иона фтора. Молекулы кислорода, заполняющие рабочую камеру, ионизируются и легко взаимодействуют с поверхностью кремния до ее окисления. Ионы фтора взаимодействуют со слоем окисла с образованием легколетучего соединения SiF4, которое быстро удаляется с поверхности подложки. Наличие азота в данной смеси способствует ионизации кислорода в условиях низкотемпературной плазмы.
Анизотропное травление кремния проводят в различных газовых смесях, которые позволяют выбрать нужный коэффициент анизотропии. Например, отношение скорости травления кремния по плоскости (100) к скорости травления кремния по плоскости (111) составляет 30 для CCl4+O2, 1,1 для С2F6+O2, 0,8 для C2Cl2F4+O2.