VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROTECHNOLIGIE
FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL AND ELECTRONIC TECHNOLOGY
SUCHÉ A MOKRÉ CESTY LEPTÁNÍ KŘEMÍKU DRY AND WET SILICON ETCHING METHODS
SEMESTRÁLNÍ PROJEKT SEMESTRAL PROJECT
AUTOR PRÁCE
Bc. STANISLAV KRÁTKÝ
VEDOUCÍ PRÁCE
Ing. MILAN MATĚJKA
AUTHOR
SUPERVISOR
BRNO 2010
Abstrakt: Tato práce se zabývá mokrými a suchými leptacími procesy mokrystalického křemíku. Zabývá se krystalografickými rovinami a směry a jejich vlivem na leptání křemíku. Podrobněji se zaměřuje na mokré izotropní a anizotropní leptání křemíku.
Abstract: This study deals with wet and dry etching process of monocrystalline silicon. It examines crystallographic planes and orientations and its influence on the etching of silicon. The Study deals with wet isotropic and anisotropic etching of silicon in detail.
Klíčová slova Mokré leptací procesy, suché leptací procesy, monokrystalický křemík, izotropní leptání, anizotropní leptání.
Key words: Wet etching, dry etching, monorystalline silicon, isotropic etching, anisotropic etching.
Bibliografická citace díla: KRÁTKÝ, S. Suché a mokré cesty leptání křemíku. Brno: VUT v Brně, FEKT, 2010. 22 s. Vedoucí semestrální práce Ing. Milan Matějka.
Prohlášení autora o původnosti díla: Prohlašuji, že jsem svůj semestrální projekt na téma Suché a mokré cesty leptání křemíku vypracoval samostatně pod vedením vedoucího semestrálního projektu a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedeného semestrálního projektu dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením tohoto projektu jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení § 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb.
V Brně dne 14. 12. 2010 ......................................................
Poděkování: Děkuji vedoucímu semestrálního projektu Ing. Milanu Matějkovi za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mého projektu. Dále bych chtěl poděkovat pracovníkům laboratoře elektronové litografie Ústavu přístrojové techniky Akademie věd České republiky, jmenovitě pak doc. Ing. Vladimíru Kolaříkovi, Ph.D., Stanislavu Královi a Mgr. Františku Matějkovi za jejich ochotu a pomoc při zpracování tohoto projektu.
V Brně dne 14. 12. 2010 ......................................................
Obsah ÚVOD ............................................................................................................................................................... 6 1
MONOKRYSTALICKÝ KŘEMÍK ...................................................................................................... 7
2
LEPTÁNÍ............................................................................................................................................... 10
3
MOKRÉ LEPTACÍ PROCESY .......................................................................................................... 11 3.1 IZOTROPNÍ LEPTÁNÍ ........................................................................................................................ 11 3.2 ANIZOTROPNÍ LEPTÁNÍ ................................................................................................................... 13 3.2.1 Leptání křemíku [100] .............................................................................................................. 14 3.2.2 Leptání křemíku [110] .............................................................................................................. 16 3.2.3 Leptání systémem KOH-H2O .................................................................................................... 17
4
SUCHÉ LEPTACÍ PROCESY ............................................................................................................ 19
5
ZÁVĚR................................................................................................................................................... 20
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ.............................................................................................................. 21 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ .......................................................................................................... 22
-4-
Seznam Obrázků OBR. 1: KRYSTALICKÁ MŘÍŽKA KŘEMÍKU ................................................................................................................ 7 OBR. 2: KRYSTALOGRAFICKÉ SMĚRY ....................................................................................................................... 8 OBR. 3: KRYSTALOGRAFICKÉ ROVINY ..................................................................................................................... 8 OBR. 4: MILLEROVY INDEXY .................................................................................................................................... 9 OBR. 5: KŘEMÍKOVÉ SUBSTRÁTY (100) A (111) ....................................................................................................... 9 OBR. 6: PŘÍKLAD IZOTROPNÍHO A ANIZOTROPNÍHO LEPTÁNÍ .................................................................................. 11 OBR. 7: VLIV PROMÍCHÁVÁNÍ LEPTACÍ LÁZNĚ NA TVAR VYLEPTANÉHO PROFILU PŘI MOKRÉM ISOTROPNÍM LEPTÁNÍ ..................................................................................................................................................................... 12 OBR. 8: OBDÉLNÍKOVÁ MASKA SESOUHLASENÁ S FAZETAMI A VÝSLEDNÝ TVAR LEPTU SUBSTRÁTU S ORIENTACÍ [100] PŘI ANIZOTROPNÍM MOKRÉM LEPTÁNÍ ................................................................................................. 14 OBR. 9: MAXIMÁLNÍ HLOUBKA LEPTU PŘI ANIZOTROPNÍM LEPTÁNÍ SUBSTRÁTU ORIENTACE [100] PŘES OBDÉLNÍKOVOU MASKU SESOUHLASENOU S FAZETAMI SUBSTRÁTU............................................................. 15 OBR. 10: VLIV NATOČENÍ MASKY O 45° VZHLEDEM K FAZETÁM SUBSTRÁTU S ORIENTACÍ [100] NA ANIZOTROPNÍ LEPTÁNÍ ........................................................................................................................................................ 16 OBR. 11: TVAR MASKY A VÝSLEDNÝ LEPT PŘI ANIZOTROPNÍM LEPTÁNÍ SUBSTRÁTU ORIENTACE [110] ................. 16 OBR. 12: TVAR ANIZOTROPNÍHO LEPTU SUBSTRÁTU ORIENTACE [110] .................................................................. 17
-5-
Úvod Tato práce se zabývá teorií leptacích procesů křemíku. První kapitola se zaměřuje na stavbu křemíku, resp. monokrystalického křemíku, která úzce souvisí se zákonitostmi leptání křemíku. Především jsou zde rozebrány krystalografické směry a roviny. Druhá kapitola se zaměřuje na leptání v širším slova smyslu. Následující kapitola se zabývá konkrétními mokrými leptacími technikami užívanými pro leptání křemíku. Jsou zde podrobně rozebrány možnost a omezení, výhody a nevýhody izotropních a anizotropních technik. Poslední kapitola se zaměřuje okrajově na suché leptací procesy. Slouží pouze jako srovnání s mokrými leptacími procesy.
-6-
1 Monokrystalický křemík Než se pustíme do popisu samotného leptání, seznámíme se s materiálem, kterého se bude leptání týkat. Jde o monokrystalický křemík. Celý ingot monokrystalického křemíků se skládá z opakování krystalické mřížky diamantového typu (obr. 1b). Ta vznikne sloučením dvou mřížek kubických plošně centrovaných (obr. 1a). Z toho vyplývá, že křemík je velmi tvrdý, ale křehký materiál.
a)
b) Obr. 1: Krystalická mřížka křemíku
Z hlediska leptání nás dále zajímají tzv. krystalografické směry a krystalografické roviny. Zavádí se kvůli anizotropii vlastností (tzn. v různých směrech resp. rovinách má látka různé vlastnosti). Krystalografické směry se získají tak, že se základní mřížka promítne do pravoúhlé soustavy souřadnic (obr. 2) a zapíší se jednotlivé souřadnice koncového bodu šipky, která určuje daný směr. Pro lepší názornost poslouží obr. 2.
-7-
z y x
[100]
[110]
[111]
Obr. 2: Krystalografické směry
Krystalografické roviny pak získáme tak, že spojíme jednotlivé souřadnice, které tentokrát zapíšeme do kulatých závorek. Krystalografický směr odpovídající dané rovině v kubické mřížce je na tuto rovinu vždy kolmý. Pro lepší názornost opět poslouží obr 3.
(100)
(110)
(111)
Obr. 3: Krystalografické roviny
Pro označení různých krystalografických rovin se také používají tzv. Millerovy indexy. Millerovy indexy odpovídající určité rovině se zapisují ve tvaru (hkl). Millerovy indexy pro danou rovinu získáme podle následujících kroků (obr. 4): •
zapíšeme úseky, které vytíná daná rovina na osách x, y, z,
•
převrácené hodnoty takto získaných čísel převedeme na nejmenšího společného jmenovatele,
•
trojice čísel v čitateli jsou Millerovy indexy dané roviny. -8-
Úseky na osách
1
1
2
Převrácené hodnoty
1 1
1 1
2 1
Millerovy indexy
1
1
2
Obr. 4: Millerovy indexy
Pro označení rovin, které jsou v daném krystalu krystalograficky ekvivalentní, se dále používá zápisu ve složených závorkách. „Jako názorný příklad poslouží kubická soustava, u které jsou stěny krychle tvořeny rovinami {100} = (100) + (010) + (001) + (100) + (010) + (001).“[5] V mikrotechnologiích se nejčastěji používají křemíkové substráty s orientací [100], [110] a [111], tzn. funkční leštěný povrch je totožný s krystalografickými rovinami (100), (110) a (111) s tím, že z výroby mají určitou toleranci odklonu od požadované roviny povrchu. Jednotlivé typy křemíkových substrátů se od sebe jednoduše rozliší podle seříznutých krajů, tzv. fazet (obr. 5). Fazety jsou dány i typem příměsi ve křemíku. (100)
(111)
P
primární fazeta
primární fazeta 90° sekundární fazeta
N
sekundární fazeta
primární fazeta
180°
primární fazeta 45° sekundární fazeta
Obr. 5: Křemíkové substráty (100) a (111)
-9-
2 Leptání Obecně můžeme leptání popsat jako chemicko/fyzikální proces, kdy tvarujeme povrch leptaného materiálu. Vhodným leptadlem můžeme leptat všechny typy materiálů od vodičů, přes polovodiče až po dielektrické materiály. Nejvíce se však v mikroelektronice využívá leptání polovodičových materiálů. Konkrétně pak při těchto operacích:
•
čištění, leštění a odstraňování krystalových poruch na povrchu substrátu polovodiče s cílem zlepšit povrchové vlastnosti daného materiálu,
•
ztenčování polovodičových substrátů,
•
ve spojení s litografickým procesem, kdy leptání probíhá přes masku (tvořenou např. polymerním rezistem nebo oxidem leptaného materiálu) a tvarujeme tak funkční vrstvy polovodičového substrátu,
•
„diagnostika polovodičů a vyrobených struktur, např. při zvýraznění dislokací, zviditelnění PN a jiných přechodů a koncentračních profilů, apod.“[2]
V technologii polovodičů se nejčastěji používá rozdělení technologie leptání na tzv. mokré a suché leptací procesy. Tyto dvě velké skupiny dělíme na další konkrétnější leptací techniky (viz níže). Mokrými procesy rozumíme chemické leptání, kdy roztok leptadla působí na leptanou látku. Naproti tomu v suchých procesech dochází k leptání působením plynu obvykle ionizovaného. Ať už jde o mokré nebo suché procesy, ve výsledku nám nás zajímají stejné následující parametry:
•
podleptání masky,
•
řiditelnost leptacího procesu,
•
rychlost leptání,
•
selektivita leptání (poměr leptacích rychlostí masky a leptaného materiálu),
•
dosažitelné rozlišení,
•
izotropie resp. anizotropie procesu.
Na následujících stránkách jsou popsány jednotlivé leptací techniky se zaměřením na leptání křemíku.
- 10 -
3 Mokré leptací procesy Jak už bylo výše řečeno, u mokrých procesů jde o chemické leptání, kdy dochází k chemické reakci mezi leptadlem a povrchem leptané látky. Tuto reakci můžeme obecně rozdělit do tří následujících fází:
•
transport molekul leptadla a jejich adsorpce k povrchu leptané látky,
•
chemická reakce mezi molekulami leptadla a molekulami leptané látky (oxidačně redukční reakce),
•
uvolnění produktů chemické reakce z povrchu leptané látky.
Mokré leptací procesy se obvykle dělí na izotropní a anizotropní. U izotropního leptání dochází k leptání materiálu (v našem případě křemíku) stejnou rychlostí ve všech krystalografických směrech (obr. 6). V případě anizotropního leptání dochází k leptání různými rychlostmi v různých směrech (obr. 6). Obě dvě techniky našli své využití v různých operacích. Maskovací materiál
Si substrát izotropní
anizotropní
Obr. 6: Příklad izotropního a anizotropního leptání
3.1 Izotropní leptání Mokrým izotropním leptáním křemíku vznikají kruhové vzory. Jako leptadla se většinou používají směsi kyseliny dusičné (HNO3) a kyseliny fluorovodíkové (HF). Podle [3] může být jako ředicí prostředek použita voda (H2O), ale doporučuje se použití kyseliny octové (CH3COOH), protože ta lépe brání disociaci kyseliny dusičné a zachovává tak její leptací (oxidační) sílu, která právě závisí na nedisociované části HNO3 v širokém rozsahu zředění. Toto leptadlo se nazývá HNA. Reakce probíhající při leptání roztokem HNA se dá zjednodušeně popsat následovně. Oxidačním činidlem (v případě HNA je to HNO3) dochází k injekci děr do valenční hladiny křemíku. Nadbytek děr způsobí narušení kovalentních vazeb mezi atomy křemíku a dojde k jeho oxidaci. Oxidované fragmenty křemíku reagují s OH- a následně dojde k rozpuštění fragmentů v HF. - 11 -
Typické složení systému HNA je následující: „250 ml HF, 500 ml HNO3 a 800 ml CH3COOH“[3]. Při pokojové teplotě dosahujeme podle [3] leptacích rychlostí 4 až 20 µm/min (vyšších rychlostí dosáhneme promícháváním). Promíchávání ovlivňuje i tvar vyleptaného vzoru (obr. 7) Nejvyšších rychlostí dosahujeme při hmotnostním poměru HF:HNO3 2:1. Přidáním rozpouštědla dochází ke zpomalení leptání. Leptací rychlost ovlivňuje i teplota, při které k leptání dochází. Se zvyšující se teplotou dochází přímo úměrně k růstu rychlosti leptání a to tak, že při nižších teplotách je růst leptací rychlosti pomalejší a po překročení určité teploty se růst zvýší. Podle [3] je tato hranice pro složení 45% HNO3, 20% HF a 35% CH3COOH na 30°C. Dalším činitelem, který výrazně ovlivňuje leptací rychlost je typ a koncentrace příměsí ve křemíku. Rychlost leptání při snížení koncentrace příměsí (ať už v N typu nebo P typu polovodiče) z 1018 cm-3 na 1017 cm-3 klesne přibližně 150 krát. SiO2 maska
Si substrát s promícháváním
bez promíchávání
Obr. 7: Vliv promíchávání leptací lázně na tvar vyleptaného profilu při mokrém isotropním leptání
Jelikož je mokré isotropní leptání velmi rychlé a agresivní je problémem najít vhodný maskovací materiál, který by leptání odolal. Pro mělké lepty je SiO2 dostatečným řešením při rychlosti leptání 30 až 80 nm leptadlem HNA. Pro hlubší lepty je vhodné použít odolnější materiál jako Au nebo Si3N4. Rezist je v tomto případě nedostačujícím maskovacím materiálem, protože nevydrží agresivní působení HNO3 a vzhledem ke své tloušťce mizí prakticky okamžitě. Speciálním případem izotropního mokrého leptání je tzv. elektrochemické izotropní leptání. Zde se oxidačním činidlem, které dodává do povrchové vrstvy křemíku díry, stává elektrický proud. Oxidace je způsobena přiložením kladného náboje na leptaný křemík (opačná elektroda je obvykle z platiny). Jako rozpouštědlo zde může být opět použita HF nebo např. NH4F. Tato leptací technika je vhodná pro vysoce dotovaný křemík ať už N-typ nebo P-typ. Leptání touto technikou po sobě zanechává tenkou vrstvu slaběji dotovaného křemíku, případně křemík opačného typu, než byl výchozí křemík. Protože zde není přítomno agresivní oxidační činidlo HNO3, můžeme využít jako maskovací materiál i polymerní rezist. Tato technika se převážně používá k leštění povrchu křemíku (dosahujeme zde vysoké hladkosti povrchu, průměrná hrubost RA ≈ 7 nm). Oproti běžnému isotropnímu leptání leptadlem HNA má několik výhod: může být provozováno při pokojové teplotě, je snadno řiditelné prostým zapnutím a vypnutím zdroje proudu a je mnohem jemnější. - 12 -
S mokrým izotropním leptáním je spojena řada problémů. Prvním z nich je problém s maskováním a s tím spojená limitace dosaženého rozlišení. Dalším je rychlost leptání, která je v některých případech velmi vysoká a vysoce závislá na teplotě. Výše zmíněné problémy částečně řeší elektrochemické izotropní leptání. Posledním problémem je právě izotropie vlastností. Proto došlo k rozvoji mokrých anizotropních technik.
3.2 Anizotropní leptání Mokrým anizotropním leptáním můžeme dosáhnout rozličných tvarů leptu. Toho dosahujeme právě díky různým leptacím rychlostem v různých krystalografických směrech. Pro mokré anizotropní leptání se prakticky využívají substráty s krystalografickou orientací [100] a [110], resp. rovinami (100) a (110). Substrát s krystalografickou orientací [111] se nevyužívá, protože leptací rychlost v tomto směru je oproti dvěma výše zmíněným velmi malá, prakticky zanedbatelná. [3] a [1] se shodují, co se týče typických poměrů leptacích rychlostí R<110>/R<100>/R<111> (400/200/1). V tab. 1 jsou uvedeny úhly mezi důležitými krystalografickými rovinami a směry, díky nimž poté můžeme vypočítat rychlosti leptání v různých směrech. Tab. 1: Úhly mezi důležitými krystalografickými rovinami a směry v kubické krystalové soustavě[5] HKL hkl úhel úhel úhel 100 100 0,00° 90,00° 110 45,00° 90,00° 111 54,74° 110 110 0,00° 60,00° 90,00° 111 35,26° 90,00° 111 111 0,00° 70,53°
Podle [3] existuje několik modelů, které se snaží vysvětlit anizotropii leptání. Mezi dva nejpravděpodobnější a nejkomplexnější patří tzv. Seidelům model a Elwenspoekův model. Seidelům model vysvětluje anizotropii na základě hustoty vazeb v dané rovině a tím potřebné energie na odtržení atomu křemíku. Tzn. každá krystalografická rovina rozděluje krystalovou mřížku jiným způsobem. Když uvažujeme roviny {111}, tak jsou atomy natočeny tak, že pod rovinou se nachází tři vazby, a tím pádem je potřeba velká energie k narušení těchto vazeb, proto je leptání těchto rovin velmi pomalé oproti ostatním rovinám. Naproti tomu Elwenspoekům model hledá příčinu anizotropie leptání ve stupni atomové hladkosti povrchu v daných krystalografických rovinách. Jelikož na hladkém povrchu (největší hustota atomů) je obtížnější vytvářet zárodky, které budou následně odleptány, než na hrubém povrchu. Protože jsou roviny {111} atomově velmi hladké oproti ostatním rovinám, jsou leptány pomaleji než ostatní, hrubší, roviny.
- 13 -
3.2.1 Leptání křemíku [100] Jestliže leptáme substrát s orientací [100] můžeme prakticky dosáhnout dvou různých tvarů výsledného leptu. Výsledný tvar závisí na tvaru (orientaci) masky. Obvykle se tvar masky vytváří souhlasně s orientací fazet substrátu (obr. 8). Výsledný lept bude mít tvar pyramidy s rovným dnem, kde šikmé plochy jsou tvořeny rovinami {111} a dno tvoří stejná rovina jako povrch substrátu (100). Úhel mezi šikmými plochami a dnem je Θ = 54,74° resp. doplňkový úhel Θ’ = 125,26°. Pro lepší názornost poslouží obr. 8. Pohled shora
Řez a a0
(111)
Maska SiO2
(111) (100) (111) (111)
R<111> R<100>
d Θ
Θ‘ b
Substrát Si
Obr. 8: Obdélníková maska sesouhlasená s fazetami a výsledný tvar leptu substrátu s orientací [100] při anizotropním mokrém leptání
Pro hloubku leptu a rychlost leptání pro roviny (100) a {111} poté můžeme odvodit následující vztahy: d=
a−b tgΘ, 2
(1) d…hloubka leptu [nm] a…šířka odkryté masky [nm] b…šířka dna [nm] Θ…úhel mezi rovinami (100) a {111}, vždy 54,74°
R<100> =
∆d , ∆t
(2) t…doba leptání [min]
R<111> =
∆a sin Θ . 2t
(3) - 14 -
R<100>…rychlost leptání ve směru [100] [nm/min] ∆a = (a-a0)…podleptání masky (viz obr. 8) [nm] Jestliže budeme leptat dostatečně dlouhou dobu, dosáhneme maximální hloubky: dmax =
a 2 , 2
(4) dmax…maximální hloubka [nm]
kdy dojde k protnutí rovin {111} a prakticky se tím zastaví leptání. Vertikální řez bude mít tvar písmena V, s vrcholovým úhlem γ = 70,53° (viz obr. 9). K podleptání masky prakticky nedochází, pokud bude tvar masky dokonale sesouhlasen s fazetou substrátu. Čím větší bude odchylka, tím dojde k většímu podleptání, i přesto bude ale nepatrné oproti izotropnímu leptání. Pohled shora
(111) (111)
Řez
Maska SiO2
(111) dmax
(111)
γ Substrát Si
Obr. 9: Maximální hloubka leptu při anizotropním leptání substrátu orientace [100] přes obdélníkovou masku sesouhlasenou s fazetami substrátu.
Jestliže zvolíme tvar masky natočený o 45° vzhledem k fazetě substrátu s orientací [100] (obr. 10), pak podle [3] vytvoříme lept s kolmými stěnami, které odpovídají krystalografickým rovinám {100} stejně jako dno leptu.
- 15 -
Pohled shora [010]
Řez
[001] Maska SiO2 (100) d
[001]
d
[010]
Substrát Si
Obr. 10: Vliv natočení masky o 45° vzhledem k fazetám substrátu s orientací [100] na anizotropní leptání
Tímto způsobem se ale vytváření kolmých stěn prakticky nepoužívá, protože vlivem rychlého leptání ve směru [100] dochází k výraznému podleptání masky. Výsledné podleptání masky je tak rovno výsledné hloubce leptu. Kvůli zmíněnému podleptání masky se proto tento způsob vytváření kolmých stěn anisoptropním leptáním nepoužívá. 3.2.2 Leptání křemíku [110] Pro tvorbu kolmých stěn je vhodnější použít substrát s krystalografickou orientací [110]. Jelikož kolmé stěny jsou tvořeny rovinami {111} nedochází k takovému podleptání jako ve výše uvedeném případě. Abychom vytvořili lepty s kolmými stěnami, musí být podle [4] maska velice přesně zorientována v souladu s krystalografickými směry [112], které spolu svírají stejně jako roviny {111} úhel 70,53° (obr. 11). Výsledné lepty budou ohraničeny čtyřmi kolmými rovinami {111} a dvěma šikmými rovinami {111}. Proto nejsme schopni vytvořit pravoúhlé lepty. Ukázka vytvořeného leptu je na obr. 12. Pohled shora šikmá rovina {111} leptací maska
kolmé roviny {111} [111]
(110) [111] tvar leptu
[112]
[112]
Obr. 11: Tvar masky a výsledný lept při anizotropním leptání substrátu orientace [110]
- 16 -
šikmá {111}, 35,26° kolmá {111}, 90° kolmá {111}, 90°
(110)
Obr. 12: Tvar anizotropního leptu substrátu orientace [110]
3.2.3 Leptání systémem KOH-H2O Anizotropních leptadel křemíku používaných při mokrých leptacích procesech existuje velké množství, pokaždé jde o alkalické lázně. Patří sem množství anorganických roztoků jako KOH, NaOH, LiOH, CsOH, RbOH, NH4OH. Mezi organická řešení patří ethylenediamine, hydrazin, pyrokatechol a pyrazin. Nejčastěji se ze zmíněných leptadel používá vodný roztok KOH. Nejvyšších leptacích rychlostí se podle [4] dosahuje při koncentracích 10%hm KOH. Se zvyšující se koncentrací KOH leptací rychlosti klesají, ale zvyšují se poměry leptacích rychlostí mezi jednotlivými rovinami. Někdy se do roztoku KOH přidává isopropanol za účelem snížení leptacích rychlostí ve směru [111] a zvýšení poměrů rychlostí mezi krystalovými směry. Výše zmíněné závislosti jsou dosahovány při teplotě 80°C, což je běžná teplota pro anizotropní leptání vodným roztokem KOH. Leptání v jednotlivých směrech je na teplotě velmi závislé a se vzrůstající teplotou se zvyšuje. Závislost na teplotě mezi jednotlivými rovinami je následující (111) > (100) > (110). Co se týče závislosti leptacích rychlostí na koncentraci příměsí, tak u křemíku typu N, dochází se zvyšujícími koncentracemi k nepatrnému snížení leptacích rychlostí (dochází k tomu ale až od vysokých koncentrací ND > 1020 cm-3). Ovšem pro křemík typu P s příměsí bóru se projevuje silná závislost leptací rychlosti R<100> od koncentrace NA > 1018 cm-3. Závislost má také klesající charakter a při koncentraci NA = 1020 cm-3 dochází k úplnému zastavení leptání. Toho se využívá k dosažení velmi přesných hloubek leptů, kdy se do určité hloubky vytvoří vrstva silně dotovaná bórem. Poté se provede leptání z druhé strany substrátu a leptání se samovolně zastaví na zmíněné vrstvě. Anizotropní leptání po sobě obvykle zanechává poměrně hrubý povrch. Hrubost se snižuje se zvyšující se koncentrací KOH, ale současně tím klesá leptací rychlost. Většinou se volí - 17 -
koncentrace kolem 40%hm jako dobrý kompromis mezi hladkostí povrchu a leptací rychlostí. Někdy se k dosažení vyšší hladkosti povrchu používá krátké izotropní leptání, které následuje bezprostředně po anizotropním leptání. Maskovací materiál vybíráme podle charakteru výsledného leptu. Jestliže budeme vytvářet nepříliš hluboké lepty a leptání proběhne poměrně rychle, můžeme použít SiO2. Leptací rychlost SiO2 je přibližně 80 nm/h při teplotě 60°C pro koncentraci 35%hm KOH. Jestliže bude leptání probíhat několik hodin, za dosažením velmi hlubokých leptů, popř. proleptání celého substrátu je nutné použít jako maskovací materiál Si3N4. Během leptání v roztoku KOH dochází k odleptání pouze jednotek nanometrů během několika hodin. Podle [4] můžeme při nízkých teplotách (do 40°C) použít jako maskovací materiál i rezist PMMA, kdy nedochází k žádné degradaci rezistu. Ovšem přidáním isopropanolu do roztoku KOHH2O dochází k rozpouštění vrstvy PMMA.
- 18 -
4 Suché leptací procesy Vznik a rozvoj suchých leptacích procesů si vyžádala stále větší miniaturizace v mikrotechnologiích (potažmo nanotechnologiích), protože mokré leptací procesy nevyhovují submikronovým rozměrům. Jak už bylo výše řečeno, suché leptací procesy využívají jako leptací médium plyn. Dělíme je do tří skupin podle toho, jakým mechanismem je pevný povrch leptán: •
chemicky, kdy dochází k chemické reakci mezi částicemi leptadla (plynu) a částicemi povrchu leptaného materiálu,
•
fyzikálně, kdy ionty bombardujeme povrch leptaného materiálu, a leptání je docíleno kinetickou energií bombardující částice,
•
chemickofyzikálně, což je kombinace obou mechanismů.
V následující tabulce (tab. 2) je uvedeno srovnání mokrých a suchých procesů. Parametr Tvary leptů Automatizace Dopad na životní prostředí Adheze maskovacích materiálů Cena leptadel Selektivita Leptané materiály Poškození zářením Čistota procesu Tolerance dosažených rozměrů Cena vybavení Submikronové rozměry Typická leptací rychlost Teorie dané techniky Nastavitelné parametry Řízení leptací rychlosti
Tab. 2: Srovnání mokrých a suchých leptacích procesů[3] Suché leptání Mokré leptání Pro většinu materiálů prakticky Určité tvary pouze pro libovolné monokrystalické materiály Dobrá Slabá Nízký Vysoký Ne až tak kritická
Velmi kritická
Nízká Slabá Pouze určité materiály (nedá se leptat např. Fe, Ni, Co) Za určitých podmínek ano Za správných podmínek dobrá Velmi dobrá (<0,1 µm)
Vysoká Až velmi vysoká Všechny
Vysoká Dosažitelné Pomalá (0,1 µm/min) Velmi komplexní Mnoho Dobré, díky pomalé leptací rychlosti
Nízká Efektivně nedosažitelné Rychlá (1 µm/min, anizo.) Lépe pochopitelná Málo Obtížné
- 19 -
Žádné Velmi dobrá Slabá
5 Závěr V této práci jsem se seznámil převážně s mokrými leptacími technikami, jejich výhodami a nevýhodami. Tyto poznatky by měly posloužit k další práci, kde se budu zabývat měřením leptacích rychlostí a selektivity leptání u vybraných mokrých leptacích technik. Zaměřím se konkrétně na izotropní leptání systémem HNA a dále pak anizotropní leptání systémem KOHH2O. Jako maskovací materiál použiji, oxid křemíku, nitrid křemíku a kde to bude možné tak i polymerní elektronový rezist. Leptané struktury budou připraveny pomocí elektronové litografie. Následně vytvořené vzorky pak budou proměřeny mikroskopem atomárních sil a případné řezy elektronovým mikroskopem.
- 20 -
Seznam použitých zdrojů [1] CUI, Z. Nanofabrication: Principles, Capabilities and Limits. 1. vyd. New York: Springer Science + Business Media, LLC, 2008. 343 s. ISBN 978-0-387-75576-2 [2] HÜTTEL, I. Technologie materiálů pro elektroniku a optoelektroniku. 1. vyd. Praha: VŠCHT v Praze, 2000. 200 s. ISBN 80-7080-387-8 [3] MADOU, Marc J. Fundamentals of microfabrication: The Science of Miniaturization. 2. vyd. Boca Raton: CRC Press LLC, 2002. 723 s. ISBN 0-8493-0826-7 [4] MATĚJKA, F. Technologie anizotropního leptání monokrystalického křemíku [Interní zpráva ÚPT AV ČR]. 2007. [5] MATĚJKA, F., BRZOBOHATÝ, J. Technologie materiálů. 1. vyd. Praha: SNTL, 1983. 168 s.
- 21 -
Seznam použitých symbolů Symbol a, a0 d, dmax h, k, l NA ND R
RA t Θ, Θ’, γ
Název Šířka odkryté masky Hloubka, resp. maximální hloubka leptu Millerovy indexy Koncentrace akceptorových příměsí Koncentrace donorových příměsí Rychlost leptání v daném krystalografickém směru Průměrná hrubost povrchu Doba leptání Úhel mezi krystalografickými rovinami
- 22 -
