Silicon (SI) je materiál základní v polovodičovém průmyslu a jeho technologie zpracování je zásadní pro rozvoj mikroelektroniky a mikroelektromechanických systémů (MEMS). Při zpracování křemíku je technologie leptání jedním z klíčových kroků k dosažení složitých mikro-nano struktur. Rychlost leptání křemíku však není jednotná, ale vysoce závislá na orientaci krystalu (směr krystalu). Tato závislost na orientaci krystalové orientace je přímým důsledkem rozdílů v hustotě uspořádání a orientaci chemické vazby atomů křemíku na různých krystalových rovinách. Tento článek bude podrobně diskutovat o vztahu mezi rychlostí leptání křemíku a orientací krystalu a analyzovat jeho praktickou aplikaci při zpracování mikro-nano.
Struktura krystalu křemíku a orientace krystalu
Silikon je krystal s diamantovou strukturou a jeho atomové uspořádání ukazuje významné rozdíly na různých krystalových rovinách. Mezi běžné křišťálové roviny patří (100), (110) a (111) roviny.
(100) Křišťálová rovina: atomové uspořádání je relativně volné a chemické vazby jsou exponovány.
(110) Křišťálová rovina: atomová hustota je mezi (100) a (111).
(111) Křišťálová rovina: Atomové uspořádání je nejkompaktnější a chemické vazby je obtížné napadeny leptáním.
Rozdíly v atomovém uspořádání těchto křišťálových rovin přímo ovlivňují rychlost leptání, takže leptací chování různých krystalových rovin vykazuje významnou anizotropii.
Závislost orientace na krystalickou orientaci při leptání mokré
Mokré leptání je jednou z běžně používaných technik při zpracování křemíku, zejména při anizotropním leptání. Mezi běžně používané leptání patří alkalické roztoky, jako je KOH (hydroxid draselný) a TMAH (tetramethylamonium hydroxid). Míra leptání různých křišťálových rovin se výrazně liší:
(100) Křišťálová rovina: V důsledku volného uspořádání atomů je rychlost leptání nejrychlejší.
(110) Krystalová rovina: rychlost leptání je rychlejší, ale o něco nižší než (100) rovina.
(111) Křišťálová rovina: Kvůli uspořádání atomů je nejpomalejší rychlost leptání
Například v řešení KOH je poměr rychlosti leptání obvykle (100) :( 110) :( 111)=400: 600: 1. Tato anizotropní vlastnost umožňuje mokré leptání přesně ovládat morfologii struktury na křemíkových destičkách.
Závislost na orientaci na krystalii při suchém leptání
Suché leptání (jako je leptání v plazmě a hluboké reaktivní leptání iontů) obvykle vykazuje silnější anizotropii, ale jeho závislost na jeho krystalové orientaci je slabší. Suché leptání dosahuje hlavně odstranění materiálu kombinací fyzikální bombardování a chemické reakce, takže vliv krystalové orientace se odráží hlavně při kontrole morfologie bočních stěn.
Klíčové faktory ovlivňující rychlost leptání křemíku
Kromě orientace krystalu je rychlost leptání křemíku ovlivněna také následujícími faktory:
Teplota: Zvyšování teploty obecně zrychluje reakci na leptání, ale poměr rychlosti leptání pro každou krystalovou rovinu zůstává relativně stabilní.
Koncentrace leptání: Vysoké koncentrace leptačů (jako je KOH) mohou zvýšit anizotropii, zatímco nízké koncentrace mohou snížit selektivitu.
Koncentrace dopingu: Lze významně snížit rychlost leptání silně dopovaného křemíku (jako je typ P ++) a lze dosáhnout i elektrochemického zastavení.