Работа 7 изучения процессов травления полупроводнико

Травление – специальная обработка поверхности твердых тел с целью:

• Очистки поверхности кристалла, придания ей необходимого рельефа, удаления поверхностного слоя после механической обработки. Травление применяется при изготовлении любых полупроводников приборов. Атомы примесей и загрязнений, находящихся на поверхности , могут при процессе термообработки диффундировать в объем кристалла, незаметно и необратимо изменять его свойства. Кроме того, сами поверхностные загрязнения (окислы, металлические ионы, адсорбированные примеси пара воды, дефекты структуры поверхностного слоя) оказывают огромное влияние на элнктрофильные свойства полупроводников.

• Подготовки поверхности для металлографического исследования. При этом в результате травления увеличивается оптический контраст между разнородными участками поверхности. Исследование результатов под микроскопом (металлографический метод) дает возможность определить кристаллическую структуру слитка, его фазовый состав, степень однородности.

Травление рассматривают как многостадийный процесс в него включают следующие этапы:

1. Диффузия реагента к поверхности

2. Адсорбция реагента

3. Поверхностная реакция

4. Десорбция продуктов взаимодействия

5. Диффузия продуктов реакции от поверхности.

Скорость суммарного процесса зависит от наиболее медленной стадии (контролирующей). При умеренных температурах скорость травления определяется сдачей химического взаимодействия, реже процессом диффузии. При высоких температурах контролирующей стадией служит диффузия. Адсорбция и десорбция характеризуются малыми энергиями активации, протекают (сравнительно с другими этапами) быстро и поэтому лишь, изредка лимитирующий процесс.

Поверхностная реакция

Скорость взаимодействия между атомами кристалла и частицами травителя должна быть пропорциональна концентрации атомов кристалла и частиц травителя. Концентрация атомов зависит от природы материала и является величиной, постоянной для данного полупроводника. Поэтому скорость химической реакции может быть определена из соотношения:

υ=kСe^-Ea/RT (1)

где Ea – энергия активации, Т – абсолютная температура, R – универсальная газовая постоянная, С – концентрация травителя в поверхностной слое,

e^-Ea/RT – константа скорости реакции , k – единичная константа скорости.

Из формулы (1) следует, что скорость химической реакции зависит от природы реагентов, концентрации, температуры и энергии активации. При прочих равных условиях температурная зависимость скорости реакции тем больше, чем выше энергии активации . незначительное снижение энергии активации зависит от структуры и состояния поверхности материала. Минимальной энергией активации будут обладать участки с максимальным количествам разорванных или ослабленных связей, т.е. участки, которые имеют отрицательные значения электродного потенциала. На грубо обработанных шерховатых поверхностях травление протекает с меньшей энергией активации. Так как различные кристаллографические плоскости структуры полупроводника имеют разное значение энергии активации, то скорость травления зависит от ориентации пластин. Посторонние атомы, дислокации и другие дефекты структуры могут повышать или понижать энергию активации растворения. Если самой медленной стадией процесса считается химическая реакция, то травители называют селективными. При селективном травлении выявляются неоднородные поверхности.

Диффузия. Согласно теории Нернста диффузионный поток определяется выражением

I_диф = =K_диф(C – C’) (2)

К – коэффициент диффузии, δ – толщина диффузионного слоя, С и С’ – концентрации вещества в объеме и в поверхностном слое, K_диф – единичная скорость процесса диффузии.

В начальный момент времени С = С’ и диффузия не происходит, условия для протекания химической реакции наиболее благоприятны. Травление селективное. Через некоторое время концентрация травителя вблизи поверхности снизится до значения С’, скорость диффузии возрастет, а скорость реакции, наоборот, уменьшиться. При достижении стационарного состояния обе скорости станут равными по величине. С этого момента С’ больше изменяться не будет и скорость травления постоянна.

Диффузионный контроль наблюдается для растворов травителей с низкими концентрациями реагентов, при высоких температурах или при процессах, сопровождающихся образованием плохо растворимых продуктов. При этом скорость процесса зависит от интенсивности перемешивания, вязкости раствора и слабо зависит от температуры и структуры поверхности. Незначительное влияние температуры на скорость диффузии связано с небольшой энергией активации диффузии, составляющей всего несколько кДж/моль, в то время как энергия активации химических реакций имеет порядок десятков кДж/моль. Травители с диффузионным контролем называются полирующими. Особенность их действия заключается в сглаживании шерховатостей, нечувствительности к физическим и химическим неоднородностям поверхности.

Из уравнений (1) и (2) находим выражение для С’ и подставляем его в (1):

*C (3)

При условии травление будет селективным, скорость процесса определяется микроструктурой данного участка (его E_a) и

При условии травление – полирующее, скорость процесса практически не зависит от энергии активации и

(5)

При механической обработке поверхности полупроводниковых материалов образуются нарушенные слои, отличающиеся по своей структуре от глубинных слоев монокристалла. Толщину нарушенного слоя можно оценить по изменению скорости травления при стадийном растворении механически обработанных образцов, поскольку механически обработанная поверхность травится быстрее, чем совершенный монокристалл.

Постоянство скорости травления указывает на полное снятие нарушенного слоя. Скорость травления определяется по уменьшению толщины образца в единицу времени. Процесс определения глубины нарушенного слоя состоит из следующих этапов:

1. Очистка поверхности образца

2. Взвешивание образца перед травлением

3. Удаление с поверхности в полирующем травлении тонкого слоя материала

4. Определение количества удаленного полупроводникового материала (повторное взвешивание)

Этапы 2-4 повторяются до полного удаления нарушенного слоя (постоянство скорости травления)

Экспериментальная часть

Цель данной работы – изучение кинетики процессов травления полупроводников на примере кремния, определение глубины нарушенного слоя.

Поверхность кремниевой пластины перед травлением обезжиривают в органическом растворителе (толуол, изопропиловый спирт, ацетон). Обезжиривание проводится кипячением пластины в органическом растворителе или тщательной протиркой ватным тампоном, смоченным в растворителе. Затем образец взвешивают на аналитических весах с точностью до 10^-4 г.

Для определения глубины нарушенного слоя на кремнии используются следующие травители: СР-8 (HNO₃:HF = 3:1) и Уайта (HNO₃:HF = 2:1). Концентрация кислот задаются преподавателем. Оба травителя являются полирующими. (при использовании травителей, содержащих плавиковую кислоту, необходима фторпластиковая посуда).

Пластины кремния закрепляют на фторпластовый держатель и травят каждые 20-30 с при комнатной температуре. После травления образцы промывают дистиллированной водой предварительно в трех сосудах. После каждого цикла травления определяют изменения массы пластины Δg_i. Процесс повторяют до тех пор, пока изменение массы не станет постоянным. После полного удаления нарушенного слоя строится график зависимости количества удаленного материала Δg_i от общего времени травления 𝝉. Поскольку скорость травления пропорциональна количеству удаленного материала в единицу времени, то график Δg_i=f(𝝉) характеризует изменение скорости в процессе травления.

кривая (рис8) Δg_i=f(𝝉) имеет 2 участка: спада и постоянства скорости травления. Зная точку перегиба, можно рассчитать глубину нарушенного слоя по формуле:

Где δ – глубина нарушенного слоя, мкм, – общее количество удаленного материала до точки перегиба на кривой, г: d – плотность исследуемого материала, г/см³, S – площадь поверхности образца, см².

Строят график зависимости Δg_i=f(𝝉), по этому графику методом графического дифференцирования находят скорость реакции в различные моменты времени. Результаты измерений заносят в табл. 7.

Таблица 7

№	𝝉, сек	, г	, г	Δ , г	, г	Δ, мкм		Состав травителя, концентрация

Контрольные вопросы

1. Что такое травление полупроводников и какими способами оно осуществляется?

2. Какая стадия лимитирующая при полирующем и селективном травлении?

3. Как зависит от температуры скорость реакции при селективном и полирующем травлении?

4. Какой порядок реакции при травлении кремния в полирующем травлении?

Элементы математической обработки результатов

Математическая обработка экспериментальных результатов включает три задачи: вычисление ошибки, с которой получены опытные данные , оценку достоверности полученных результатов, представление результатов в идее функциональных связей.

Результаты любого опыта всегда в той или иной степени приближены и содержат ошибку. Ошибки могут быть систематические и случайные. Первые возникают в результате неправильной градуировки приборов, неточности в методике эксперимента, односторонности внешних воздействий и могут быть устранены. Вторые вызываются различными погрешностями в измерениях, отсчетах, субъективными особенностями эксперимента. Они, как правило, невелики, но устранить их невозможно. Однако величину случайной ошибки можно уменьшить увеличением числа измерений.

Абсолютное значение разности Δ между приближенным α и истинным χ значениями измеренной величины называют абсолютной ошибкой i-го измерения.

(1)

Для характеристики точности измерения абсолютной ошибки недостаточной. Лучшей мерой точности служит относительная ошибка

≡ (2)

Если произведено несколько прямых равноточных измерений одной и той же величины, то можно вычислить среднее арифметическое отдельных измерений

(3)

n – число измерений. Исходя из значений и можно оценить величину средней ошибки (знак отклонения не учитывается):

(4)

Тогда значение измеренной величины запишется

α±ε

это самая простая оценка действительного значения измеряемой величины и ошибки ее измерения. Более точные способы статической обработки излагаются в теории ошибок.

Очень часто при проведении эксперимента прямым измерением искомую величину определить невозможно. Но она является функцией нескольких параметров α, β, γ…, которые поддаются прямому измерению , т.е. искомая величина измеряется косвенно и включает ошибки всех непосредственно измеряемых параметров, причем вычисление ошибки функции зависит от вида этой функции. Ниже приведены формулы по которым вычисляют максимальную ошибку некоторых функций , наиболее распространенных в физико-химических методах исследования.

Например в лабораторной работе 5 по измеренной скорости растворения I при заданных ω, υ и (C_s – C) из уравнения (6) вычисляют

Исходя из этого уравнения и приведенных выше формул, максимальная относительная ошибка в определении D выразится соотношением

№	функция	Относительная ошибка Δу/у
1
2
3
4
5

Первое и третье слагаемое в скобках тоже являются функциями известных переменных , измеряемых в опыте, и должны быть вычислены отдельно:

: , где – изменение веса образца за время опыта (см. работу 5). Чаще всего исследователи стремятся получать не отдельные значения величин, а зависимости их от некоторых параметров, и эти зависимости представляются уравнениями. Так как каждое измеренное значение величины содержит ошибку, то бессмысленно подбирать формулу, график которой подходил бы по всем экспериментальным точками. Искомая функция должна сгладить случайные погрешности эксперимента. Такая функция называется сглаживающей или выравнивающей. Выравнивание будет тем лучше, чем больше сделано измерений.