Калужский Филиал
Московского Государственного
Технического Университета
им. Н. Э. Баумана
Отчет по технологической практике
на тему:
“ Жидкостное химическое травление “
студент: Тимофеев А. Ю.
руководитель: Парамонов В. В.
1996 г.
г. Калуга.
Содержание.
стр.
1. Введение. 3
1.1. Термодинамика травления. 5
1.2. Общие принципы кинетики травления. 8
1.3. Феноменологический механизм травления. 9
2. Жидкостное травление. 11
2.1. Травление SiO2. 11
2.2. Травление кремния. 14
2.3. Травление многослойных структур. 19
2.4. Травление алюминия. 20
2.5. Травители для алюминия. 21
2.6. Электрохимическое травление. 23
3. Практические аспекты жидкостного химического 23
травления.
3.1. Другие характеристики травления. 24
4. Заключение. 25
5. Список литературы. 26
Введение.
Травление используется для селективной (химической) прорисовки диффузионных масок, формирования изолирующих или проводящих областей, в процессе которого вещество в области, подвергаемой травлению, химически преобразуется в растворимое или летучее соединение. В литографии травление применяется в основном для формирования диффузионных масок в слое термически окисленного кремния или для удаления материала через окна в диэлектрике при изготовлении металлических контактов. Металлическая разводка формируется путем селективного удаления промежутков (обращения изображения); фотошаблоны также изготавливаются травлением металлических пленок. Задача инженера-технолога состоит в том, чтобы обеспечить перенос изображения с резистной маски в подложку с минимальным отклонением размера (Е) и допуском ((Т) (см. рис. 1). Из рисунка видно, что суммарное изменение размера при литографии Е обусловлено искажением изображения в резистной маске ((0.1 мкм), уходом размера в резисте ((0.5 мкм) и уходом окончательного размера в процессе травления (1.0 мкм с допуском в (1.0 мкм.

Рис. 1. Изменение размеров при переносе изображения
из резиста в подложку с помощью изотропного травления.
В зависимости от кристалличности пленки и целостности резиста (отсутствие отслоений при жидкостном и эрозии при плазменном травлении) уход размера может достигать толщины пленки D и даже превышать ее. Изотропное жидкостное травление, для которого характерно большое боковое подтравливание (L), пришлось заменить газофазным анизотропным травлением, для которого D/L((1 (рис. 2).
Изотропное травление происходит неупорядоченно, с одинаковой скоростью по всем пространственным направлениям - L и D. Анизотропное травление проявляется при некоторых отклонениях от изотропного процесса. Желательно, чтобы глубина травления (D) была много больше величины бокового подтравливания (L). Поскольку травление в вертикальном направлении при достижении глубины D прекращается, перетравливание определяется только скоростью удаления материала в боковом направлении. Степень анизотропии можно определить как отношение L/D, и ее величина зависит от многих физических параметров. Жидкостное травление определяется в основном статическими характеристиками типа адгезии и степени задубленности резиста, состава травителя и т.п. При сухом травлении степень анизотропии во многом зависит от таких динамических параметров, как мощность разряда, давление и скорость эрозии резиста. Величина бокового подтравливания в случае жидкостного травления зависит от предшествующих стадий обработки - подготовки поверхности и термозадубливания.

Рис. 2. Анизотропное (слева) и изотропное (справа)
травление. R-резист, S-полложка.
Используя жидкостное травление или недавно разработанный и боле предпочтительный метод плазменного сухого травления, можно формировать различные профили в пленках. Жидкие травители дают изотропные или скошенные профили . Скошенный профиль края лучше подходит для последующего нанесения полости металла поперек такой ступеньки.

Ширина линии в скомпенсированной маске М, мкм
Рис. 3. Связь компенсации (уменьшение размеров окон в маске),
необходимый при изотропном и анизотропном (D/L>2) травлении.
Для компенсации подтрава при изотропном жидкостном травлении размеры элемента на фотошаблоне следует уменьшать. На рис. 3 показана компенсация размера окон в шаблоне для разных степеней анизотропии травления. Для обычного изотропного травления D/L равно 1 (без разрушения резиста и при хорошей адгезии). Для того чтобы ширина полосы была равна (е, размер перенесенного в резист изображения (r должен быть меньше на удвоенную величину бокового подтрава (L):
(r=(е-2L. (1)

Рис. 4. Сравнение жидкостного (W) и плазменного (Р) травления.В обоих случаях травление производится через маску Si3N4 толщиной 0.25 мкм.

для получения 1-мкм линии при умеренно анизотропном травлении (D/L=3) изображение в резисте следует делать на 0.2 мкм меньше 1 мкм, а ширина элемента на шаблоне (М) должна быть увеличена примерно на 0.05-0.1 мкм для компенсации ухода размера при формировании резистной маски. Если же D/L=10, то полоса шириной 1 мкм может быть подтравлена через резистное окно шириной 0.7 мкм. разница в характеристиках компенсации размера изображения в резисте для сухого и жидкостного травления Si3N4 ясно видна на рис. 4.

Термодинамика травления.
С точки зрения химии процесс травления можно представить схемой
твердая фаза+травитель(продукты;
при этом к твердой фазе относят кремний, его оксиды и нитриды и многие металлы. Для межсоединений внутри кристалла обычно применяют Al и его сплавы с Si и Cu, причем основным материалом для первого уровня металлизации является Al (табл. 1). Слои оксидов кремния можно выращивать термически, наносить химическим способом или распылением, можно также легировать их фосфором или бором. Металлы используются в виде чистых или пассивированных пленок, сплавов, многослойных структур и интерметаллидов. Поскольку кремний существует в виде монокристаллических или поликристаллических пленок, его структура, как и структура других кристаллических материалов, имеет и ближний и дальний порядок. Поскольку травление переводит упорядоченные структуры в неупорядоченные, термодинамические соображения о поведении свободной энергии (F системы должны учитывать изменения как энтропии +(S, так и энтальпии (Н (теплоты растворения или испарения)
(F=(Н-Т(S. (2)
Например, реакция травления аморфного оксида кремния является эндотермической, (Н=+11 ккал/моль:
SiO2(тв.)+6HF(ж.)(Н2SiF6+2H2O. (3)
Таблица 1. Материалы полупроводниковой электроники.
Проводники

Ag, Al, Au, Cr, Cu, Mo, Ni, Pb, Pt, Ta, Ti,W

Полупроводники
Si, Ge, GaAs

Диэлектрики
SiO2, Si3N4, резист, полиимид

Преодоление короткодействующих сил в амфорном твердом теле сопровождается ростом энтропии. Небольшие дефекты, такие, как напряжение, деформация, примесные уровни, также оказывают влияние на скорость травления. В кристаллическом кремнии скорость травления плоскостей с малыми индексами Миллера определяется числом свободных связей и кристаллографической ориентацией (табл. 2).
Таблица 2. Влияние ориентации на травление кремния.
Кристаллографическая плоскость
Относительное число свободных связей
Относительная скорость травления


(111)
(110)
(100)

0.58
0.71
1.00

0.62
0.89
1.00

Переход металла или кремния в растворимое состояние включает в себя ионизацию металла (определяемую потенциалом ионизации) и перенос электрона к соответствующему восстановителю с высоким сродством к электрону
М(тв.) (Мn+(ж.)+ne. (4)
Реакция эта трехстадийная:
М(тв.) (М(газ) сублимация, (5)
М(газ) ( Мn+(газ)+ne ионизация, (6)
Мn+(газ)+Н2О ( Мn+(ж.) гидратация. (7)
Изменение энтальпии при сублимации и ионизации положительно (эндотермические реакции), но гидратация экзотермична (отрицательное (Н). При газофазном травлении для распыления металла путем его сублимации кинетическая энергия частиц травителя (энергия травления) должна передаваться металлу из газовой фазы. При погружении металлического образца в раствор, содержащий его собственные ионы (уравнение 4), ионы металла переходят в раствор (рис. 5), и образец приобретает отрицательный заряд. Метал образует, таким образом, свой собственный анод. и ионы Мn+ притягиваются к нему, формируя двойной электрический слой (слой Гельмгольца). разность потенциалов в нем называется

Рис. 5. Двойной слой Гельмгольца на границе металла в равновесии с ионами металла в жидкой фазе (М+) и анионами (Х-).
абсолютным электродным потенциалом. Стандартные окислительные и восстано-вительные потенциалы можно найти в литературе по электрохимии. На катоде происходит уравновешиваю-щее окисление, и катодную реакцию в растворе можно записать следующим образом:
ne+ Xn- (Xn. (8)
итоговое приращение свобод-ной энергии, (F, составляет
(F=-nФ(Е, (9)
где (Е есть разность анодного и катодного потенциалов, аФ-число Фарадея. Величина изменения свободной энергии зависит от:
1) чистоты металла, его кристаллической структуры, наличия напряжений, метода осаждения и состава примесей;
2) активности ионов металла