6.6. Травление

Обычно травление ассоциируется с использованием специаль­ных растворов — травителей для общего или локального удале­ния поверхностного слоя твердого тела на ту или иную глубину. Действительно, жидкие травители остаются главным средством для достижения указанной цели. Однако в технологии микро­электроники появились и другие средства, выполняющие ту же задачу. Поэтому в общем случае травление можно рассматри­вать как не механические способы изменения рельефа поверхно­сти твердого тела.

Классический процесс химического травления состоит в хи­мической реакции жидкого травителя с твердым телом с обра­зованием растворимого соединения; последнее смешивается с травителем и в дальнейшем удаляется вместе с ним. Переход поверхностного слоя твердого тела в раствор означает удаление этого слоя. Однако, в отличие от механического удаления, травление обеспечивает гораздо большую прецизионность про­цесса: стравливание происходит плавно — один мономолеку­лярный слой за другим. Подбирая травитель, его концентра­цию, температуру и время травления, можно весьма точно ре­гулировать толщину удаляемого слоя. Например, при химической полировке пластины кремния (см. раздел 6.2), ис­пользуя соответствующий травитель, можно обеспечить ско­рость травления 0,1 мкм/мин, т.е. за 20-30 с снять слой тол­щиной всего 40—50 нм.

Для большей равномерности травления и удаления продук­тов реакции с поверхности ванночку с раствором вращают в на­клонном положении (динамическое травление) или вводят в раствор ультразвуковой вибратор {ультразвуковое травление).

Конечно, травление подчиняется законам физической хи­мии, но в реальных условиях имеется столько привходящих обстоятельств, что рецептура травителей для каждого материа­ла подбирается не расчетным путем, а экспериментально.

Характерной особенностью локального травления (через за­щитную маску) является так называемое подтравливание (рис. 6.10, а) — эффект, в какой-то мере аналогичный боковой диффузии (рис.6.5, б). Он выражается в том, что травление идет не только вглубь пластины, но и в стороны — под маску. В результате стенки вытравленного рельефа оказываются не со-

Травитель

Рис. 6.10. Локальное травление кремния: а — изотропное; б — анизотропное

всем вертикальными, а площадь углубления — несколько боль­ше площади окна в маске.

Электролитическое травление отличается тем, что химиче­ская реакция жидкости с твердым телом и образование раство­римого соединения происходят в условиях протекания тока че­рез жидкость, причем твердое тело играет роль одного из элект­родов — анода. Значит, твердое тело в данном случае должно обладать достаточной электропроводностью, что, конечно, огра­ничивает круг используемых материалов. Преимуществом электролитического травления является возможность регули­ровать скорость травления путем изменения тока в цепи и пре­кращать процесс путем его отключения.

Так называемое ионное травление (один из специфических процессов в микроэлектронике) не связано с использованием жидкостей. Пластина кремния помещается в разреженное про­странство, в котором, невдалеке от пластины, создается тлею­щий разряд. Пространство тлеющего разряда заполнено квази­нейтральной электронно-ионной плазмой. На пластину отно­сительно плазмы подается достаточно большой отрицательный потенциал. В результате положительные ионы плазмы бомбар­дируют поверхность пластины и слой за слоем выбивают атомы с поверхности, т.е. травят ее². Аналогичным способом дости­гается очистка поверхности от загрязнений — ионная очистка. Структура ионно-длазменных установок описана в разделе 6.9.

Ионное травление, как и химическое, может быть общим и локальным. Несомненным преимуществом локального ионного травления является отсутствие «подтравливания» под маску: стенки вытравленного рельефа практически вертикальны, а площади углублений равны площади окон в маске.

Общее преимущество ионного травления заключается в его универсальности (не требуется индивидуального кропотливого подбора травителей для каждого материала), а общий недоста­ток — в необходимости дорогостоящих установок и значитель­ных затрат времени на создание в них нужного вакуума.

За последние годы разработаны и широко используются ме­тоды так называемого анизотропного травления. Эти методы основаны на том, что скорость химической реакции, лежащей в основе классического травления, зависит от кристаллографиче­ского направления. Наименьшая скорость свойственна направ­лению (111), в котором плотность атомов на единицу площади максимальна (рис. 2.2), а наибольшая — направлению (100), в котором плотность атомов минимальна. Поэтому при использо­вании специальных анизотропных травителей скорость травле­ния оказывается разной в разных направлениях и боковые стенки лунок приобретают определенный рельеф — огранку. Пример огранки при травлении в плоскости (100) показан на рис. 6.10, б. Как видим, в данном случае травление идет парал­лельно плоскостям (111), поскольку в направлении (111), пер­пендикулярном этой плоскости, скорость травления намного меньше, чем в других направлениях.

Углы, под которыми вытравливаются боковые стенки лу­нок, строго определены и поддаются расчету [например, на рис. 6.10, б угол между плоскостями (100) и (111) составляет 61,5°]. Поэтому вместе с методом масок метод анизотропного травления дает разработчику ИС возможность проектировать рельеф отверстий не только по плоскости, но и по глубине.

Тот факт, что плоскость (111) как бы «непроницаема» для травителя, обеспечивает еще одно преимущество анизотропно­го травления: если края окон в маске ориентированы по осям (100), то отсутствует явление подтравливания, свойственное изотропному травлению (рис. 6.10, а). Соответственно при ани­зотропном травлении наружные размеры лунок могут практи­чески совпадать с размерами окон в маске.