1.2. Количественная характеристика травления
Суммарный процесс травления контролируется или химической реакцией, или процессами диффузии. Адсорбция и десорбция характеризуется малыми энергиями активации, протекают сравнительно быстро по сравнению с другими процессами и поэтому лишь в редких случаях лимитируют процесс. Рассмотрим отдельные стадии травления и закономерности, характерные для стационарного состояния.
1.2.1.Диффузия. Основная диффузионная модель была разработана Фиком, в её основе лежит предположение о том, что процессы диффузии и теплопроводности описываются одним и тем же типом уравнений.
Согласно закону Фика скорость диффузии определяется выражением
vдифф
kдифф
(с-с’) (1),
где D – коэффициент диффузии; S – поверхность фронта диффузии; δ – толщина фронта диффузионного слоя; с и с' – концентрации вещества в объеме и поверхностном слое; kдифф – единичная скорость процесса диффузии.
В начальный момент травления с = с', и диффузия не происходит. Потребление травителя снижает с', а скорость диффузии возрастает. Через некоторое время, если устанавливается стационарный процесс, скорость диффузии достигает определенной величины и больше не изменяется.
Различают три основных типа твердофазного травления:
1) химический процесс на поверхности идет медленно, и наблюдаемая скорость является скоростью поверхностного процесса;
2) химический процесс на поверхности настолько быстр, что конвекция и диффузия не могут обеспечивать достаточной концентрации реагента у поверхности. 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.
Характерными признаками реакции, контролируемой диффузией, являются:
1) Энергия активации зависит от вязкости.
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, являются:
1) зависимость скорости реакции от концентрации травителя;
2) отсутствие зависимости скорости от перемешивания;
3) энергия активации.
1.2.2.Химическая реакция.
Скорость взаимодействия между атомами кристалла и частицами травителя должна быть пропорциональна концентрации атомов кристалла и частиц травителя. Концентрация атомов зависит от природы материала и является величиной постоянной для данного полупроводника.