Анализ физико-химического механизма разрушения обрабатываемого материала

Для селективных травителей характерная разница скоростей травления в различных кристаллографических направлениях достигает одного порядка и более. Так, для щелочных травителей изменение скорости травления соответствует схеме (100)>(110)> (111).

Травление с большой разницей скоростей травления в различных

кристаллографических направлениях называют анизотропным.

Селективное травление используют для локальной обработки полупроводниковыхпластин, в том числе для создания изолирующих областей при изготовлении ИМС.

Электрохимическое травление основано на химических превращениях,

которые происходят при электролизе.

Для этого полупроводниковую пластину (анод) и металлический электрод (катод) помещают в электролит, через который пропускают электрический ток. Процесс является окислительно-восстановительной реакцией, состоящей из анодного окисления (растворения) и катодного восстановления.

Кинетика анодного растворения определяется концентрацией дырок, генерируемых на поверхности полупроводниковой пластины.

Электрохимическое травление кремниевых пластин производят в растворах, содержащих плавиковую кислоту, при возрастающей плотности тока. При этом вначале происходит образование на поверхности пластины слоя оксида кремния, в состав которого входит фтористокремниевый комплекс , окисляющийся в водных растворах с выделением водорода согласно реакции:

                                    (6)

                                 (7)

Затем происходит анодное растворение кремния в плавиковой кислоте:

                                    (8)

Такой процесс называют также электрополировкой.

Электрохимическое травление применяют как для очистки поверхности пластин, так и для их локальной обработки.

 

2.3 Интенсификация процессов очистки

Для ускорения наименее медленных стадий процессов очистки с целью повышения качества очистки и производительности процессов используют различные способы их интенсификации, которые достигаются применением физических, химических и комбинированных средств.

К физическим средствам относятся нагрев, кипячение, вибрация, обработка струёй, гидроциркуляцией, протоком, гидромеханическая обработка, центрифугирование, ультразвуковая обработка, плазма.

К химическим средствам относятся поверхностно-активные вещества, комплексообразователи, катализаторы. Комбинированные средства основаны на использовании физических и химических средств.

Применение тех или иных средств позволило разработать наиболее эффективные способы обезжиривания, травления, промывания и создать необходимое для их осуществления оборудование.

Наиболее распространенными и эффективными способами жидкостной обработки в промышленных условиях являются ультразвуковая очистка в растворителях, химико-динамическое травление, анодно-механическое травление.

При ультразвуковой очистке (рис. 3) пластины

1. помещают в ванну с водой (эмульсией),

2. на которую передаются вибрации через вибратор,

3. от генератора,

4. механические вибрации способствуют перемешиванию растворителя и тем самым ускоряют процесс.(что это???)

                             

                                     Рис. 3                                    

Принцип химико-динамического травления заключается в интенсивном

перемешивании травителя непосредственно над поверхностью пластин (рис.4). При вращении приводом:

1 фторопластового барабана 

2 травитель

3 омывает пластины

4 закрепленные на специальном диске

5 чем достигается хорошее перемешивание травителя и равномерное травление.

                             

                                     Рис. 4                                    

В основу анодно-механического травления положено электрохимическое травление, сопровождаемое механическим воздействием (рис. 5). Электролит 2 подается на освещенные мощной лампой 1 (для генерации дырок) пластины 3, которые предварительно закрепляются на аноде 4, и соприкасаются с вращающимся катодным диском 5, содержащим радиальные канавки. При этом скорость электрополировки достигает 400нм/с.

                             

                                     Рис. 5                                    

Особый интерес с точки зрения производительности и качества очистки представляет способ, основанный на возникновении кавитации в пограничном слое очищаемой поверхности. Условия кавитации создают механическим путем (центрифугированием), а в качестве растворителя используют дистиллированную воду с растворенным кислородом.

Способы жидкостной очистки используют на различных стадиях изготовления ИМС.

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4 Способы сухой очистки

Наряду с жидкостной обработкой в технологию изготовления ИМС в последнее время интенсивно внедряются различные способы сухой очистки. Наряду с традиционными термообработкой (отжигом) и газовым травлением успешно используют ионное и |плазмохимическое травление.

Термообработка.

Сущность термообработки состоит в нагреве пластины или подложки до температуры, при которой происходят удаление адсорбированных поверхностью загрязнений, разложение поверхностных загрязнений и испарение летучих соединений.

Отжиг осуществляют в вакуумных или термических установках непосредственно

перед проведением основных операций формирования полупроводниковых или пленочных структур.

Эффективность очистки зависит от температуры, максимальное значение которой ограничено температурой плавления очищаемых материалов и процессами диффузии примесей.

Газовое травление.

Сущность газового травления заключается в химическом взаимодействии материала

пластин с газообразными веществами и образовании при этом легко улетучиваемых соединений. В процессе газового травления загрязнения удаляются вместе со стравливаемым приповерхностным слоем пластин.

Газовое травление как метод окончательной очистки применяют в первую очередь непосредственно перед теми технологическими процессами, в которых определяющуюроль играет структура поверхностного слоя (например, перед эпитаксиальным наращиванием). В качестве травителей используют смеси водорода или гелия с галогенами (фтор, хлор, бром), галогеноводородами (HBr, HC1), сероводородом , гексафторидом серы.

Молярное содержание этих веществ в водороде или гелии может изменяться от десятых долей процента до единиц процентов. Очистку осуществляют при температурах 800-1300°С в установках термического окисления либо непосредственно в реакторах эпитаксиального наращивания.

Наибольшее распространение получило травление кремниевых пластин хлористым водородом при температурах 1150-1250°С, при этом происходит реакция:

     (9)

Скорость травления зависит от температуры и концентрации HC1 в водороде.

Аналогично происходит травление кремния в HBr.

Травление кремниевых пластин в парах тетрахлорида кремния сопровождаетсяреакцией

                                       (10)

При хлорном травлении в качестве газоносителя используют гелий. Травление осуществляют при температуре около 1000°С и содержании хлора в гелии не более 0,2% в соответствии с реакцией:

                                       (11)

Травление кремния в парах сероводорода происходит по реакции:

                            (12)

                   

При этом получаются большие скорости травления (до 15 мкм/мин). Однако сероводород токсичен. Гексафторид серы, наоборот, не токсичен и обеспечивает хорошее качество поверхности при травлении кремния и сапфира. Травление кремния сопровождается реакцией:

                            (13)

Газовое травление обеспечивает получение более чистых поверхностей по сравнению с жидкостной, обработкой. Однако его применение ограничено из-за высоких температур процессов и необходимости использования газов особой чистоты.

Ионное травление.

Сущность ионного травления состоит в удалении поверхностных слоев материала при его бомбардировке потоком ионов инертных газов высокой энергии. При этом ускоренные ионы при столкновении с поверхностью пластин или подложек передают их атомам свою энергию и импульс.

     Ионное травление - процесс удаления загрязнений вместе с распыляемым в вакууме поверхностным слоем обрабатываемой поверхности при ее бомбардировке ускоренными ионами инертного газа.

Если во время столкновения энергия, передаваемая атому, превышает энергию химической связи атома в решетке, а импульс, сообщаемый атому, направлен наружу от поверхности, то происходит смещение атомов, их отрыв от поверхности - распыление. Для реализации этого процесса требуются определенные вакуумные условия, а ионы должны обладать определенными значениями энергий, достаточными для распыления материалов. Разновидностью ионного травления является ионно-химическое (реактивное) травление, основанное на введении в плазму химически активного газа, обычно кислорода. При этом изменяется скорость травления вследствие химического взаимодействия между подложкой и добавленным газом.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 5 Плазмохимическое травление

В отличие от ионного плазмохимическое травление основано на разрушении обрабатываемого материала ионами активных газов, образующимися в плазме газового разряда и вступающими в химическую реакцию с атомами материала при бомбардировке поверхности пластин или подложек. При этом молекулы газа в разряде распадаются на реакционно-способные частицы - электроны, ионы и свободные радикалы, химически взаимодействующие с травящейся поверхностью. В результате химических реакций образуются летучие соединения.

Для травления кремния и его соединений (оксида и нитрида кремния) наиболее часто используют высокочастотную плазму тетрафторида углерода (возможно применение гексафторида серы и фреона-12 - ).

При взаимодействии этих газов с электронами плазмы происходит разложение и образуются ионы фтора и другие радикалы:

                   

                                         (14)

                   

Ионы фтора, а в ряде случаев и радикал активно взаимодействуют с кремнием, образуя летучее соединение

Уравнения, характеризующие химические реакции травления кремния, оксида и нитрида кремния в плазме , имеют вид

                              (15)

Характерно, что частицы, участвующие в травлении, травят различные материалы с разной скоростью. На этом основано свойство плазмохимического травления.

Скорость травления определяется концентрацией атомов фтора и постоянной скорости химической реакции :

                                                            (16)

Концентрация  обусловливается скоростью генерации атомов, что определяется конструкцией и мощностью реактора, а также временем жизни частиц в реакторе, которое зависит от скорости газового потока, давления и условий рекомбинации частиц.

Скорость травления строго зависит от температуры; ее влияние предопределяется физическими свойствами травящегося материала и газовым составом плазмы. Так, добавка кислорода к чистой плазме

повышает скорость травления.

В плазме фторсодержащих газов можно травить некоторые металлы. Для травления применяют также плазму хлорсодержащих газов. Для удаления органических материалов используют кислородную плазму.

Промышленные конструкции реакторов рассчитаны на групповую обработку пластин с кассетной загрузкой и программным управлением.

В отечественной промышленности для различных целей плазмохимической обработки кремниевых пластин используются автоматизированные реакторы «Плазма 600» (для удаления фоторезиста и очистки поверхности пластин при изготовлении биполярных ИМС) и «Плазма 600Т» (для удаления фоторезиста, очистки поверхности пластин и травления диэлектрических слоев). Плазмохимическое травление применяют также для локальной обработки поверхностей.

Способы сухой очистки пластин и локальной их обработки наиболее эффективны при создании БИС и СБИС на элементах с микронными и субмикронными размерами.

 

 

 

Заключение

В заключении своей контрольной работы приведу пример типового процесса обработки пластин кремния перед термическим окислением, который включает следующие операции:

1)  обезжиривание в горячем (75-80°С) перекисно-аммиачном растворе;

2) промывание в проточной деионизованной воде (удаление продуктов реакции предыдущей обработки);

3)     обработка  в горячей (90-100°С) концентрированной  азотной кислоте

(удаление ионов металлов);

4) промывание в проточной деионизованной воде (удаление остатков кислот);