Silicij (SI) je temeljni material v polprevodniški industriji, njegova tehnologija obdelave pa je ključnega pomena za razvoj mikroelektronike in mikroelektromehanskih sistemov (MEMS). Pri obdelavi silicija je tehnologija jedkanja eden ključnih korakov za doseganje zapletenih mikro-nano struktur. Vendar hitrost jedkanja silicija ni enakomerna, ampak zelo odvisna od orientacije kristala (kristalna smer). Ta odvisnost od kristalne orientacije je neposreden rezultat razlik v gostoti razporeditve in kemični vezi silicijevih atomov na različnih kristalnih ravninah. Ta članek bo podrobno razpravljal o razmerju med hitrostjo jedkanja silicija in kristalno orientacijo ter analiziral njegovo praktično uporabo pri mikro-nano obdelavi.
Silicijeva kristalna struktura in kristalna orientacija
Silicij je kristal z diamantno strukturo, njegova atomska razporeditev pa kaže pomembne razlike na različnih kristalnih ravninah. Skupne kristalne ravnine vključujejo ravnine (100), (110) in (111).
(100) Kristalna ravnina: Atomska razporeditev je razmeroma ohlapna, kemične vezi pa so bolj izpostavljene.
(110) Kristalna ravnina: Atomska gostota je med (100) in (111).
(111) Kristalna ravnina: Atomska razporeditev je najbolj kompaktna, kemične vezi pa je težko napadati jedkanec.
Razlike v atomskem razporeditvi teh kristalnih ravnin neposredno vplivajo na hitrost jedkanja, zaradi česar je jedkanica različnih kristalnih ravnin pokazala pomembno anizotropijo.
Odvisnost od kristalne orientacije pri mokrem jedkanju
Mokro jedkanje je ena od najpogosteje uporabljenih tehnik pri predelavi silicija, zlasti pri anizotropnem jedranju. Pogosto uporabljena jedkanica vključujejo alkalne raztopine, kot sta KOH (kalijev hidroksid) in TMAH (tetrametilamonijev hidroksid). Stopnje jedkanja različnih kristalnih ravnin se močno razlikujejo:
(100) Kristalna ravnina: Zaradi ohlapne razporeditve atomov je hitrost jedkanja najhitrejša.
(110) Kristalna ravnina: Hitrost jedkanja je hitrejša, vendar nekoliko nižja od (100) ravnine.
(111) Kristalna ravnina: Zaradi tesne razporeditve atomov je hitrost jedkanja najpočasnejša
Na primer, v raztopini Koh je običajno razmerje hitrosti jedkanja (100) :( 110) :( 111)=400: 600: 1. Ta anizotropna lastnost omogoča vlažno jedkanje, da natančno nadzira strukturno morfologijo na silicijevih rezinah.
Odvisnost od kristalne orientacije pri suhem jedkanju
Suho jedkanje (na primer plazemsko jedkanje in globoko reaktivno ionsko jedkanje) ima običajno močnejšo anizotropijo, vendar je njegova odvisnost od kristalne orientacije šibkejša. Suho jedkanje dosega predvsem odstranjevanje materiala s kombiniranjem fizičnega bombardiranja in kemijske reakcije, zato se vpliv kristalne orientacije odraža predvsem pri nadzoru morfologije bočne stene.
Ključni dejavniki, ki vplivajo na hitrost jedkanja silicija
Poleg kristalne orientacije na hitrost jedkanja silicija vplivajo tudi naslednji dejavniki:
Temperatura: Povečanje temperature na splošno pospeši reakcijo jedkanja, vendar razmerje hitrosti jedkanja za vsako kristalno ravnino ostane relativno stabilno.
Koncentracija jedkanja: Visoke koncentracije jedkancev (na primer KOH) lahko povečajo anizotropijo, medtem ko lahko nizke koncentracije zmanjšajo selektivnost.
Koncentracija dopinga: Hitrost jedkanja močno dopiranega silicija (na primer tipa P ++) je mogoče znatno zmanjšati in doseči celo elektrokemično zaustavitev.