Существуют две теории саморастворения кремния в травителях: химическая и электрохимическая. Согласно химической теории поверхностные химические реакции при полирующем травлении протекают в два этапа: окисление поверхностного слоя и перевод оксида в растворимую соль. Роль окислителя выполняет азотная кислота:

(2)

Фтористо-водородная кислота является комплексообразователем, который переводит оксид кремния в тетрафторид:

(3)

В соответствии с электрохимической теорией взаимодействие между полупроводником и травителем обусловлено тем, что на поверхности пластины при погружении ее в травитель существуют анодные и катодные микроучастки, между которыми возникают локальные токи.

На анодных участках происходит окисление кремния с последующим растворением оксида и образованием кремний-фтористоводородной кислоты, на катодных - восстановление окислителя (азотной кислоты). В процессе травления микроаноды и микрокатоды непрерывно меняются местами.

Результирующее уравнение реакции при этом имеет вид:

(4)

Следует отметить, что очистке поверхности полупроводниковых пластин путем их обработки в полирующих травителях предшествует обязательное обезжиривание поверхности.

Для ряда травителей энергия активации химической реакции на порядок и более превышает энергию активации, определяющую скорость диффузии реагента. В этом случае скорость травления определяется скоростью химической реакции :

(5)

где и - концентрации реагирующих веществ; R - универсальная газовая постоянная; а и b - показатели, численно равные коэффициентам в уравнении химической реакции.

Поскольку энергия активации химической реакции зависит от неоднородности поверхности, скорость травления чувствительна к состоянию поверхности. Так как различные кристаллографические плоскости структуры кремния имеют разное значение , то скорость травления зависит от ориентации пластин, а также от температуры.

* Травители, для которых контролирующей стадией является химическая реакция, называются селективными.

В качестве селективных травителей пластин кремния используют водные растворы щелочей (например, NaOH, КОН) и гидразин гидрат '.

Для селективных травителей характерная разница скоростей травления в различных кристаллографических направлениях достигает одного порядка и более. Так, для щелочных травителей изменение скорости травления соответствует схеме (100) >(110)> (111).

Травление с большой разницей скоростей травления в различных кристаллографических направлениях называют анизотропным.

Селективное травление используют для локальной обработки полупроводниковых пластин, в том числе для создания изолирующих областей при изготовлении ИМС.

4.2.2.2. Электрохимическое травление основано на химических превращениях, которые происходят при электролизе.

Для этого полупроводниковую пластину (анод) и металлический электрод (катод) помещают в электролит, через который пропускают электрический ток. Процесс является окислительно-восстановительной реакцией, состоящей из анодного окисления (растворения) и катодного восстановления.

Кинетика анодного растворения определяется концентрацией дырок, генерируемых на поверхности полупроводниковой пластины.

Электрохимическое травление кремниевых пластин производят в растворах, содержащих плавиковую кислоту, при возрастающей плотности тока. При этом вначале происходит образование на поверхности пластины слоя оксида кремния, в состав которого входит фтористокремниевый комплекс , окисляющийся в водных растворах с выделением водорода согласно реакции:

(6)

(7)

Затем происходит анодное растворение кремния в плавиковой кислоте:

(8)

Такой процесс называют также электрополировкой.

Электрохимическое травление применяют как для очистки поверхности пластин, так и для их локальной обработки.

4.2.3. Промывание пластин и подложек.

На различных этапах изготовления ИМС производят неоднократно промывание пластин и подложек. Для промывания применяют дистиллированную, бидистиллированную и деионизованную воду.

Промывание обязательно производится после обезжиривания и травления. Его назначение - удаление остатков загрязнений, продуктов реакции и остатков реагентов.

4.2.4. Интенсификация процессов очистки.

Для ускорения наименее медленных стадий процессов очистки с целью повышения качества очистки и производительности процессов используют различные способы их интенсификации, которые достигаются применением физических, химических и комбинированных средств.

К физическим средствам относятся нагрев, кипячение, вибрация, обработка струёй, гидроциркуляцией, протоком, гидромеханическая обработка, центрифугирование, ультразвуковая обработка, плазма.

К химическим средствам относятся поверхностно-активные вещества, комплексообразователи, катализаторы. Комбинированные средства основаны на использовании физических и химических средств.

Применение тех или иных средств позволило разработать наиболее эффективные способы обезжиривания, травления, промывания и создать необходимое для их осуществления оборудование.

Наиболее распространенными и эффективными способами жидкостной обработки в промышленных условиях являются ультразвуковая очистка в растворителях, химико-динамическое травление, анодно-механическое травление.

При ультразвуковой очистке (рис. 3) пластины 1 помещают в ванну с водой (эмульсией) 2, на которую передаются вибрации через вибратор 3 от генератора 4. Механические вибрации способствуют перемешиванию растворителя и тем самым ускоряют процесс.

Рис. 3

Принцип химико-динамического травления заключается в интенсивном перемешивании травителя непосредственно над поверхностью пластин (рис.4). При вращении приводом 1 фторопластового барабана 2 травитель 3 омывает пластины 4, закрепленные на специальном диске 5, чем достигается хорошее перемешивание травителя и равномерное травление.

Рис. 4

В основу анодно-механического травления положено электрохимическое травление, сопровождаемое механическим воздействием (рис. 5). Электролит 2 подается на освещенные мощной лампой 1 (для генерации дырок) пластины 3, которые предварительно закрепляются на аноде 4, и соприкасаются с вращающимся катодным диском 5, содержащим радиальные канавки. При этом скорость электрополировки достигает 400нм/с.