摘要

硅的三相、基于酸的濕法蝕刻中的傳輸和動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的研究已經(jīng)完成。由反應(yīng)形成的氣泡附著在表面上的隨機(jī)位置，表面的一部分被反應(yīng)物遮蔽。這種氣泡掩蔽效應(yīng)被模擬為與液相傳質(zhì)阻力平行作用的氣泡傳輸阻力。這些輸運(yùn)效應(yīng)被集中成一個(gè)有效的質(zhì)量輸運(yùn)電阻，它與動(dòng)力學(xué)電阻串聯(lián)作用。結(jié)果表明，刻蝕表面形貌是有效傳質(zhì)阻力與動(dòng)力學(xué)阻力之比的函數(shù)。粗糙的表面是由峰和谷組成的區(qū)域。理論上，在質(zhì)量傳遞影響下，峰值處的蝕刻速率高于谷值處的蝕刻速率。因此，表面被化學(xué)拋光。結(jié)果表明，拋光效率隨著傳質(zhì)阻力與動(dòng)力學(xué)阻力之比的增大而增大，達(dá)到最大值后減小。用發(fā)展的唯象模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解釋了傳質(zhì)和動(dòng)力學(xué)對(duì)表面粗糙度和光澤度的影響。

介紹

硅晶片的化學(xué)蝕刻是通過(guò)將晶片浸入蝕刻劑中來(lái)完成的，該蝕刻劑傳統(tǒng)上是硝酸和氫氧化鉀的稀釋劑或苛性堿溶液的酸性混合物。報(bào)道了苛性結(jié)晶學(xué)蝕刻的各種研究.2-4然而，本文只關(guān)注基于酸的蝕刻的傳輸和動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。實(shí)際的反應(yīng)機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，涉及許多基本反應(yīng)。氫和不同的氮氧化物會(huì)產(chǎn)生。已經(jīng)提出了許多不同條件下硅片溶解的速率方程。

本研究的目的是展示我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并使用一種新的非均相反應(yīng)現(xiàn)象學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行分析。我們收集的數(shù)據(jù)與提出的非均相反應(yīng)唯象模型一致，可以解釋硅表面特性的各個(gè)方面。由于提出的模型解釋了早期研究沒(méi)有解釋的蝕刻硅晶片表面的不同特征，因此有必要在公開(kāi)文獻(xiàn)中報(bào)告這些數(shù)據(jù)和分析。

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在兩種不同的裝置中進(jìn)行。1a蝕刻劑酸與任選的高壓氮?dú)庖黄鸨凰腿胛g刻機(jī)。當(dāng)任選引入氮?dú)鈺r(shí)，其在液體中保持良好的混合，并且部分以氣泡的形式存在。包含硅晶片的處理盒被放置在蝕刻機(jī)中，如圖所示。1a 處理箱內(nèi)裝有一組轉(zhuǎn)子，可使晶圓圍繞其中心旋轉(zhuǎn)。在不同的濃度和溫度下蝕刻硅片，并使用三相唯象模型分析收集的數(shù)據(jù)。

圖1(a)蝕刻硅晶片的實(shí)驗(yàn)組件，(b)不同轉(zhuǎn)速下單晶圓蝕刻的實(shí)驗(yàn)裝置

結(jié)果和討論

圖2顯示了外在氣泡對(duì)表面粗糙度的影響。在1.5 M HF +1.5 M H3PO4 過(guò)量硝酸混合物中，在有和沒(méi)有外來(lái)氮?dú)夤呐莸那闆r下，蝕刻具有非常低光澤度(0-5光澤度單位)和高f (0.2-0.3 mm)的粗糙硅晶片。當(dāng)存在固有的氣泡掩蔽效應(yīng)時(shí)，粗糙度的改善非常差。當(dāng)Rm、g較高時(shí)。當(dāng)存在外來(lái)氣泡時(shí)，Rm，g較低，因此，在存在外來(lái)氣泡時(shí)，拋光效率和粗糙度的降低較高。因此，在不同流體動(dòng)力學(xué)條件下蝕刻的硅晶片的粗糙度可以用所提出的唯象模型來(lái)解釋。

蝕刻劑溫度，如氟化氫的濃度，會(huì)影響動(dòng)態(tài)電阻。它也會(huì)影響傳質(zhì)阻力。因此，Rr、HF和Rm、eff、HF都隨著溫度的升高而降低。對(duì)于對(duì)溫度依賴(lài)性較弱的反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)效應(yīng)隨溫度增加。對(duì)于對(duì)溫度有強(qiáng)烈依賴(lài)性的反應(yīng)，傳質(zhì)效應(yīng)隨著溫度的升高而增加。然而，在不同的蝕刻條件下，這些參數(shù)對(duì)溫度的依賴(lài)性可能不同。為研究溫度的影響而進(jìn)行的一些實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了不清楚的結(jié)果。

圖2:外部冒泡對(duì)粗糙度的影響

結(jié)論

硅蝕刻法是一種受傳質(zhì)影響的三相體系。三相蝕刻系統(tǒng)可以在現(xiàn)象學(xué)上建模為一個(gè)兩相系統(tǒng)。傳質(zhì)和動(dòng)力學(xué)對(duì)蝕刻過(guò)程的動(dòng)力學(xué)影響可以用有效的擴(kuò)散電阻與動(dòng)力學(xué)電阻的比值來(lái)解釋。一個(gè)粗糙的硅片是一個(gè)以平均粗糙度為特征的峰谷場(chǎng)。在傳質(zhì)影響系統(tǒng)中，由于局部傳質(zhì)電阻的不同，峰處的蝕刻速率高于谷處的蝕刻速率。因此，在存在傳質(zhì)的情況下發(fā)生化學(xué)拋光。利用所提出的現(xiàn)象學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解釋了拋光效率(實(shí)際拋光速率與最大拋光速率的比)與有效傳質(zhì)阻力與動(dòng)力學(xué)阻比的關(guān)系。

蝕刻反應(yīng)的氣體產(chǎn)物形成固有的泡沫，掩蓋了硅晶圓表面的局部位置，這導(dǎo)致表面不規(guī)則，這可以用氣泡掩蓋缺陷來(lái)解釋。氣泡脫離表面的影響，以及氣泡和高頻通過(guò)傳質(zhì)膜的傳輸被歸類(lèi)為一個(gè)有效的傳質(zhì)電阻。在沒(méi)有過(guò)多的泡沫掩蔽效應(yīng)的情況下，拋光效率隨著有效傳質(zhì)電阻與動(dòng)力學(xué)電阻之比而提高，達(dá)到最佳值，然后減小。當(dāng)這個(gè)比率大于臨界氣泡掩蔽阻值時(shí)，氣泡掩模拋光效率顯著，因此拋光效率降低。拋光效率的降低也可以導(dǎo)致在非常高的傳質(zhì)電阻的峰和谷蝕刻速率之間的差異的減少。添加增稠劑增加傳質(zhì)阻。因此，通過(guò)加入惰性增稠劑，可以增加傳質(zhì)阻與動(dòng)力學(xué)阻的比值。此外，動(dòng)力學(xué)電阻隨著高頻濃度的變化而變化，對(duì)傳質(zhì)電阻的影響可以忽略不計(jì)。因此，這個(gè)比率也可以通過(guò)改變心衰濃度來(lái)控制。當(dāng)濺射電阻和動(dòng)力學(xué)電阻隨溫度變化時(shí)，拋光效率不隨溫度有明顯變化。

因此，有效傳質(zhì)阻力與動(dòng)力學(xué)阻的比值必須高于臨界最小值，并低于臨界氣泡掩蔽值，才能達(dá)到較高的拋光效率。

審核編輯：湯梓紅