Процесс травления

Размещено на http://www.allbest.ru//

Травление -- группа технологических приёмов для управляемого удаления поверхностного слоя материала с заготовки под действием химических веществ. Ряд способов травления предусматривает активацию травящих реагентов посредством других физических явлений, например, наложением внешнего электрического поля при электрохимическом травлении, ионизацией атомов и молекул реагентов при ионно-плазменном травлении и т. п.

В литературе термин «травление», как правило, сопровождается определением, поясняющим конкретную технологию травления (химическое, кислотное, щелочное, электрохимическое и т. п.). При использовании термина «травление» без дополнительного определения, как правило, подразумевается химическое травление в водном электролите.

Если часть поверхности, подвергаемой травлению, требуется сохранить, то она защищается (химически или механически) путём наложения специальной маски.

Основные виды травления:

жидкостное (химически активными растворами),

электрохимическое,

сухое (физическое распыление, ионное распыление; газофазное химическое травление; реактивное ионное травление).

Процесс травления разделяется на следующие шаги:

подготовку поверхности (например, механические шлифовка и полировка, обезжиривание);

взаимодействие травителя или электролита (растворы кислот, растворы и расплавы солей и щелочей, другие органические и неорганические жидкости, плазма) с обрабатываемым материалом;

очистку поверхности от травителя и продуктов травления (как правило, это отмывка каким-либо растворителем).

Процесс травления может сопровождаться газовыделением. В частности, кислотное травление металлов часто сопровождается выделением водорода, что требует применения особых мер безопасности.

При выполнении художественных работ, при производстве печатных плат и электронных приборов с использованием техник литографии часть поверхности защищают масками из веществ, устойчивых к травлению. Хотя в процессе травления обрабатывается только поверхность, при длительном травлении начинает стравливаться и материал под маской вблизи её краёв, что может привести к порче заготовки.

Процесс травления имеет склонность к селективности (избирательности). Избирательность травления основана на различии скоростей химической реакции на разных участках протравливаемой поверхности. В частности, повышенной скоростью травления характеризуются участки поверхности, имеющие макро- и микродефекты, такие как трещины, царапины, дислокации, вакансии, примесные атомы в кристаллической решётке и другие. К примеру, в поликристаллическом материале скорость травления межкристаллитных границ, выходящих на поверхность выше, чем скорость травления поверхности самих кристаллитов: это различие иногда используется для доочистки мелкодроблёного металлургического кремния. На селективность травления также влияет анизотропия свойств монокристаллов, то есть разные грани кристалла травятся с различной скоростью: это различие используется для проявления дефектов кристаллической решётки монокристалла, при этом дефекты атомного масштаба провоцируют появление ямок травления характерной (из-за анизотропии кристалла - зависимости результата травления от направления) формы микронного масштаба. Полученные ямки травления могут быть оценены как качественно, так и количественно с использованием обычного оптического микроскопа. При большой концентрации дефектов в протравленной области невооружённым глазом хорошо различимы матовость и рябь.

В ряде случаев склонность процесса травления к селективности играет негативную роль и должна быть максимально снижена. Неселективное (точнее слабоселективное) травление называют полирующим. При полирующем травлении, как правило, 2-й шаг травления (см. выше) происходит намного быстрее 3-го шага, вследствие чего большая часть материала поверхности успевает прореагировать и временно пассивироваться, прежде чем пассивирующие продукты травления освободят поверхность для следующего элементарного акта химической реакции. Превращение механизма травления в полирующее может быть достигнуто либо соответствующим подбором реагентов, либо изменением их концентрации, либо подбором температурных условий реакции, либо комбинированием этих способов.

Примером чёткой концентрационной зависимости селективности процесса травления может служить травление кремния в смеси концентрированных азотной и плавиковой кислот. В смеси азотная кислота отвечает за окисление поверхности кремния, а плавиковая за перевод окисла в удаляющуюся газовую фазу. При весовом соотношении азотной кислоты к плавиковой меньшем чем 1:1 травление имеет чисто селективный характер. При повышении концентрации азотной кислоты до 2:1 травление приобретает выраженный полирующий характер.

Травители используются в химическом и электрохимическом травлении. Травители для электрохимического травления в отсутствие электрического тока могут вообще не воздействовать на материал, либо их воздействие может отличаться от воздействия при протекании электрического тока.

Различают травители однокомпонентные и многокомпонентные.

Компоненты многокомпонентных травителей выполняют в травителе 3 основных роли:

модификация поверхности обрабатываемого материала (например, окисление поверхности);

растворение модифицированного материала (например, растворение образовавшегося окисла);

управление процессом травления (например, увеличение или уменьшение скорости стравливания, усиление или ослабление степени селективности травления и т. п.).

Различают травители селективные и неселективные. Степень селективности травителя также может быть различной.

Некоторые из селективных травителей могут быть полирующими.

Травление применяется:

для снятия поверхностного слоя загрязнений, окислов, жировой плёнки и т.п. (например, окалины с полуфабриката в металлургии);

для выявления структуры материалов (например, структуры металлов и сплавов при металлографии);

для нанесения рельефного рисунка при художественной обработке материалов (обычно металлов).

для формирования проводящих дорожек и контактных площадок при производстве печатных плат

для формирования проводящих дорожек, контактных площадок и окон в слоях окисла для диффузии при изготовлении интегральных схем методом фотолитографии;

для изготовления мембран (вытравливание сверхмалых отверстий с применением метода фотолитографии);

для химической полировки поверхности и удаления нарушенного в ходе предшествующей механической обработки слоя.

Селективное травление (или избирательное травление) -- термин, применяющийся для обозначения травления преимущественно одного материала по сравнению с другим, который обладает гораздо меньшей скоростью травления.

Иногда применяется при изготовлении гибридных интегральных микросхем: вместо того, чтобы напылять и делать фотолитографию в каждом цикле, напыляют сразу несколько слоёв и делают фотолитографию поочерёдно в каждом слое, что уменьшает количество хим. обработок, время на напыление (откачка установки напыления обычно занимает около 2-2,5 часов) и стоимость изделия. Применяется в полупроводниковой технологии например, в реактивном ионном травлении.

При использовании жидкостных травителей (например, плавиковая кислота) можно выделить пару полупроводниковых соединений GaAs/AlAs. HF обладает огромной селективностью -- порядка 107 (удаляет преимущественно AlAs).

Реактивное ионное травление (РИТ) - технология травления, используемая в микроэлектронике. Химически активная плазма используется для удаления материала с подложки. Плазма создаётся при низком давлении при помощи газового разряда. Поступающие из плазмы ионы ускоряются за счёт разности потенциалов между ней и подложкой. Совместное действие химических реакций, ионного распыления и ионной активации приводит к разрушению материала подложки, образованию летучих соединений и десорбции их с поверхности.

Наиболее простой конструкцией обладают РИТ-системы, основанные на высокочастотном ёмкостном разряде. Подложку помещают на изолированный от камеры стол (как правило, охлаждаемый), на который подают высокочастотное напряжение относительно стенок камеры. Рабочий газ обычно подают сверху через специальное устройство (газораспределитель), обеспечивающее однородное распределение его потока по камере. При подаче газа и высокочастотной мощности между столом и стенками загорается ёмкостной высокочастотный разряд. Поскольку площадь стола меньше площади стенок камеры, на нём (а также на поверхности подложки, обращённой к плазме) образуется отрицательный потенциал автосмещения, что обеспечивает поток положительно заряженных ионов из плазмы. За счёт изменения давления, мощности и состава подаваемых газов можно получать различные режимы травления. Диапазон давлений 0,5..10 Па.

Состав и давление применяемой газовой смеси различается в зависимости от материала подложки и требований к форме профиля травления. Например, для анизотропного травления кремния через маску из диоксида кремния применяется смесь элегаз+кислород. Для получения обратной селективности - травления диоксида кремния - применяется CF4. Последний процесс, в частности, используется для удаления базового оксида с поверхности подложки перед проведением дальнейших операций травления или осаждения.

Ёмкостной разряд (так же как и тлеющий на постоянном токе) ограничивает возможность повышения плотности ионного тока. Для её увеличения требуется либо поднимать напряжение, либо увеличивать давление. Увеличение напряжения приводит к усилению катодного распыления маски, то есть снижению селективности травления, а также к повышенной мощности, выделяемой на подложке. Увеличение давления приводит к рассеянию падающих ионов на молекулах газа, искажая траектории их движения, приводя к уменьшению анизотропии процесса.

травление газовый смесь

Схема установки РИТ с высокочастотным индукционным источником плазмы

В современных РИТ-системах для повышения плотности тока используют отдельный источник плазмы. В качестве него могут использоваться разряды ВЧИ, СВЧ, либо ЭЦР. Промышленное применение получили только разряды на ВЧИ-разряде. Плазма создаётся высокочастотным индуктором, а ионы вытягиваются из неё подачей высокочастотного смещения на подложку. Поскольку напряжение насыщения ионного тока в плазме ВЧИ-разряда не превышает нескольких десятков вольт, удаётся получить сочетание высоких плотностей тока (а, значит, высоких скоростей процесса) с относительно низкой энергией ионов при давлениях 0,1..1 Па.

Травление в литографии -- этап фотолитографического процесса, заключающийся в полном или частичном удалении слоя материала микросхемы (оксид, металл, полупроводник) на участках, не защищённых маской фоторезиста.

Жидкостное травление обладает высокой селективностью, но является изотропным и происходит не только в направлении, перпендикулярном поверхности подложки, но и горизонтально, под слой резиста. Вследствие этого детали вытравленного рисунка по размеру оказываются больше, чем соответствующие детали маски.

Наиболее часто используется реактивное ионное травление, при котором подложка, покрытая маской, подвергается воздействию плазмы, возбужденной высокочастотным электрическим полем. Радикалы и нейтральные частицы плазмы участвуют в химических реакциях на поверхности, образуя летучие продукты, а положительные ионы плазмы бомбардируют поверхность и выбивают атомы с незащищенных участков подложки. Для каждого материала, подвергаемого сухому травлению, подбирается соответствующий реактивный газ. Так, например, органические резисты травят в кислородсодержащей плазме (CF4 + O2), алюминий -- в хлорсодержащей плазме (Cl2, CCl4, BCl3, BCl3 +Cl2, BCl3 + CCl4 +O2), кремний и его соединения травят хлор- и фторсодержащей плазмой (CCl4 + Cl2 + Ar, ClF3 + Cl2, CHF3, CF4 + H2, C2F6). Недостаток сухого травления -- меньшая, по сравнению с жидкостным травлением, селективность. Вариантом сухого анизотропного травления является ионно-лучевое травление. В отличие от реактивного ионного травления, сочетающего физический и химический механизмы, ионно-лучевое травление определяется только физическим процессом передачи импульса. Ионно-лучевое травление является универсальным, пригодно для любого материала или сочетания материалов и обладает наивысшей среди всех методов травления разрешающей способностью, позволяя получать элементы с размером менее 10 нм.

Размещено на Allbest.ru