Жидкостное химическое травление

| Категория реферата: Рефераты по химии
| Теги реферата: ответ 4, реферат на тему
| Добавил(а) на сайт: Пайков.

SiO2+CF4(газ) (SiF4+CO2. (11)
Si(O-связь заменяется связью Si(F. Поскольку энергии связей Si(O и Si(F близки, знак изменения энтропии определяет, пройдет реакция или нет.
Общие принципы кинетики травления.

Гетерогенные твердофазные реакции затрагивают различные разделы химии, механики и физики. Типичный процесс включает в себя следующую последовательность реакций:

1) перенос реагента;

2) адсорбция реагента (Нads;

3) реакция на поверхности (F;

4) десорбция продуктов (Нvap;

5) перенос продуктов.
Самый медленный этап определяет скорость реакции. В реакциях низшего порядка

Скорость=k нулевой порядок, (12)

Скорость=kE первый порядок. (13) скорость зависит от концентрации травителя (Е) только в случае реакции первого порядка. При выборе той или иной реакции травления стараются остановиться на процессе с наименьшим количеством параметров и преимущественно линейными скоростями травления. Желательно также иметь возможность изменения анизотропии регулированием физических параметров и высокую селективность процесса (т. е. отсутствие воздействия травителя на резист или слой, находящийся под стравливаемой пленкой). В реакциях нулевого порядка слабое обеднение травителя несущественно. Однако в реакциях первого порядка мы не имеем достаточного избытка травителя, и он может сильно истощиться при загрузке десяти или более пластин. В реакциях простого порядка зависимость толщины стравленной пленки (или логарифма толщины) от времени линейная. Поэтому окончание реакции может контролироваться и точно определяться экстраполяцией.
Рассмотрим механизм переноса для двух основных типов реакций - диффузионно- контролируемых и ограниченных скоростью реакции. Вообще говоря, в процессе травления могут быть вовлечены все три агрегатных состояния вещества:

1) твердая фаза ( скрытая химическая энергия и физическая структура пленки;

2) жидкая фаза ( перенос ионов в жидком диэлектрике, обладающем высокой вязкостью;

3) газообразная фаза ( хемосорбция, рекомбинация, ионизация и средний свободный пробег газовых частиц при пониженном давлении.
Феноменологический механизм травления.
Переход от твердой фазы к жидкой или газообразной твердая пленка+ травитель (k( продукты (14) зависит от диффузии взаимодействующих веществ

SiO2(тв.)+6HF(жидк.) ( H2SiF6+2H2O, (15)

SiO2+CF4 ( SiF4+CO2. (16)
Пусть r есть соотношение молярных объемов r=(m/d)/(M/D), (17) где m и М - молекулярные веса продукта и травителя, а d и D - соответствующие плотности. Тогда, если r>1 (как при травлении стекла), продукт не покрывает полностью твердую поверхность (рис.6). Поскольку продукт не препятствует проникновению травителя, скорость травления определяется скоростью реакции травителя с твердой поверхностью [k в уравнении 14]. Энергии активации при этом порядка 7 - 20 ккал/моль. В случае r1, уравнение 17];

2) химический процесс на поверхности настолько быстр, что конвекция и диффузия не могут обеспечивать достаточной концентрации реагента у поверхности, r>1. Наблюдаемая скорость является скоростью переноса
(диффузии) к поверхности;

3) скорость диффузии и химической реакции одного порядка (потребление реагента в реакции соизмеримо с его переносом в результате диффузии), однако концентрация реагента на поверхности не снижается на столько , чтобы сдерживать реакцию. Простейший пример уравнения для скорости - процесс типа (1) dM/dt= k1SC, (24) где S - площадь поверхности, С - концентрация травителя. Здесь предполагается, что скорость имеет первый порядок по отношению к концентрации травителя, и не учитывается промежуточное поглощение и влияние неровностей поверхности.
В реакциях типа (2) необходимо учитывать эффективную толщину (() слоя градиента концентрации (рис. 8) и применять закон Фика [уравнения 18 и 19]: dM/dt=DSC/(=k2SC. (25)
В процессах типа (3) предполагается, что концентрация травителя на поверхности равна Сs (s-(surface(): dM/dt=k1SCs=k2S(C-Cs). (26)
Если разность эффективных площадей учитывается в k1, то dM/dt=k1k2SC/(k1+k2)=k3SC (27)
Уравнения (24), (25), (26) формально представляют одно и то же уравнение, и поэтому необходимо располагать экспериментальным критерием для различения трех описанных типов травления. Некоторые отличия приводятся ниже.
Характерными признаками реакции, контролируемой диффузией, являются:

1) Энергия активации зависит от вязкости и равна 1-6 ккал/моль
[уравнение 23].

2) Скорость реакции увеличивается при перемешивании реагента.
Исключение составляет эффект автокатолиза NO при травлении кремния в HNO3.
Продукты этой реакции (NO) способствуют ее же развитию. Интенсивное перемешивание приводит к уменьшению скорости реакции.

3) Все материалы независимо от ориентации кристаллических плоскостей травятся с одинаковой скоростью.

4) Энергия активации при перемешивании растет. Исключением является травление кремния в HNO3 ((H=100 ккал/моль), в ходе которого значительное количество тепла, выделяемое в результате экзотермической реакции, приводит к увеличению скорости диффузии и скорости травления. Перемешивание в этом случае привело бы к уменьшению скорости травления из-за диссипации тепла.
Характерными признаками процессов, контролируемых скоростью химической реакции [уравнение 24], являются:

1) зависимость скорости реакции от концентрации травителя;

2) отсутствие зависимости скорости от перемешивания;

3) энергия активации составляет 8-20 ккал/моль.

Жидкостное травление.
При жидкостном травлении металлов происходят окислительно-восстановительные реакции, а в случае неорганических оксидов - реакции замещения (кислотно- основные).

Травление SiO2.
Амфорный или плавленый кварц,- это материал, в котором каждый атом кремния имеет тетраэдрическое окружение из четырех атомов кислорода. В стеклообразных материалах могут сосуществовать как кристаллическая, так и аморфная фазы. Напыленный кварц представляет собой аморфный SiO2 из тэтраэдров SiO4. В процессе реакции травления элементарный фтор может легко замещать атом О в SiO2, так как фтор обладает меньшим ионным радиусом
(0.14 нм), чем Si(O (16 нм). Энергия связи Si(F в 1.5 раза превышает энергию связи Si(O. Ниже перечислены основные достоинства аморфных пленок
SiO2, применяемых в полупроводниковой электронике: