Silicij (SI) je osnovni materijal u industriji poluvodiča, a njegova tehnologija obrade ključna je za razvoj mikroelektronike i mikroelektromehaničkih sustava (MEMS). U obradi silicija, tehnologija jetkanja jedan je od ključnih koraka za postizanje složenih mikro-nano struktura. Međutim, brzina jetkanja silicija nije ujednačena, već vrlo ovisna o orijentaciji kristala (kristalni smjer). Ova ovisnost o orijentaciji kristala izravan je rezultat razlika u gustoći rasporeda i orijentacije kemijske veze silikonskih atoma na različitim kristalnim ravninama. Ovaj će članak detaljno raspravljati o odnosu između brzine silicija i orijentacije kristala i analizirati njegovu praktičnu primjenu u mikro-nano obradi.
Silikonska kristalna struktura i orijentacija kristala
Silicij je kristal s dijamantnom strukturom, a njegov atomski raspored pokazuje značajne razlike u različitim kristalnim ravninama. Uobičajene kristalne ravnine uključuju (100), (110) i (111) ravnine.
(100) Ravnina kristala: atomski raspored je relativno labav, a kemijske veze su više izložene.
(110) Kristalna ravnina: atomska gustoća je između (100) i (111).
(111) Kristalna ravnina: atomski raspored je najkompaktniji, a kemijske veze teško je napasti etchant.
Razlike u atomskom rasporedu ovih kristalnih ravnina izravno utječu na brzinu jetkanja, čineći ponašanje jetkanja različitih kristalnih ravnina pokazuje značajnu anizotropiju.
Ovisnost o orijentaciji kristala u vlažnom jetkanju
Mokro jetkanje jedna je od najčešće korištenih tehnika u obradi silicija, posebno u anizotropnom jetkanju. Obično korišteni etchanti uključuju alkalne otopine kao što su KOH (kalijev hidroksid) i TMah (tetrametilamonijev hidroksid). Stope jetkanja različitih kristalnih ravnina značajno se razlikuju:
(100) Ravnina kristala: Zbog labavog rasporeda atoma, brzina jetkanja je najbrža.
(110) Kristalna ravnina: Brzina jetkanja je brža, ali nešto niža od (100) ravnine.
(111) Kristalna ravnina: Zbog bliskog rasporeda atoma, brzina jetkanja je najsporija
Na primjer, u KOH rješenju omjer brzine jetkanja je obično (100) :( 110) :( 111)=400: 600: 1. Ovo anizotropno svojstvo omogućava vlažnom jetkanju da precizno kontrolira morfologiju strukture na silikonskim rezima.
Ovisnost o orijentaciji kristala u suhom jetkanju
Suho jetkanje (poput jetkanja u plazmi i jetkanja dubokog reaktivnog iona) obično pokazuje jaču anizotropiju, ali njegova ovisnost o orijentaciji kristala je slabija. Suho jetkanje uglavnom postiže uklanjanje materijala kombinirajući fizičko bombardiranje i kemijsku reakciju, tako da se utjecaj kristalne orijentacije uglavnom odražava na kontrolu morfologije bočnog zida.
Ključni čimbenici koji utječu na brzinu jetkanja silicija
Pored kristalne orijentacije, na brzinu jetkanja silicija utječu i sljedeći čimbenici:
Temperatura: Povećanje temperature općenito ubrzava reakciju jetkanja, ali omjer brzine jetkanja za svaku ravninu kristala ostaje relativno stabilan.
Koncentracija etchanta: Visoke koncentracije etchants (poput KOH) mogu pojačati anizotropiju, dok niske koncentracije mogu smanjiti selektivnost.
Koncentracija dopinga: Brzina jetkanja silicija s jako dopiranim silicijum (poput p ++ tipa) može se značajno smanjiti, pa se može postići čak i elektrokemijsko zaustavljanje.
