硅晶片的化学刻蚀和动力学效应

摘要

硅的三相、基于酸的湿法蚀刻中的传输和动力学效应的研究已经完成。由反应形成的气泡附着在表面上的随机位置，表面的一部分被反应物遮蔽。这种气泡掩蔽效应被模拟为与液相传质阻力平行作用的气泡传输阻力。这些输运效应被集中成一个有效的质量输运电阻，它与动力学电阻串联作用。结果表明，刻蚀表面形貌是有效传质阻力与动力学阻力之比的函数。粗糙的表面是由峰和谷组成的区域。理论上，在质量传递影响下，峰值处的蚀刻速率高于谷值处的蚀刻速率。因此，表面被化学抛光。结果表明，抛光效率随着传质阻力与动力学阻力之比的增大而增大，达到最大值后减小。用发展的唯象模型和实验数据解释了传质和动力学对表面粗糙度和光泽度的影响。

介绍

硅晶片的化学蚀刻是通过将晶片浸入蚀刻剂中来完成的，该蚀刻剂传统上是硝酸和氢氧化钾的稀释剂或苛性碱溶液的酸性混合物。报道了苛性结晶学蚀刻的各种研究.2-4然而，本文只关注基于酸的蚀刻的传输和动力学效应。实际的反应机理相当复杂，涉及许多基本反应。氢和不同的氮氧化物会产生。已经提出了许多不同条件下硅片溶解的速率方程。

本研究的目的是展示我们的实验数据，并使用一种新的非均相反应现象学模型对其进行分析。我们收集的数据与提出的非均相反应唯象模型一致，可以解释硅表面特性的各个方面。由于提出的模型解释了早期研究没有解释的蚀刻硅晶片表面的不同特征，因此有必要在公开文献中报告这些数据和分析。

实验

实验在两种不同的装置中进行。1a蚀刻剂酸与任选的高压氮气一起被送入蚀刻机。当任选引入氮气时，其在液体中保持良好的混合，并且部分以气泡的形式存在。包含硅晶片的处理盒被放置在蚀刻机中，如图所示。1a 处理箱内装有一组转子，可使晶圆围绕其中心旋转。在不同的浓度和温度下蚀刻硅片，并使用三相唯象模型分析收集的数据。

图1(a)蚀刻硅晶片的实验组件，(b)不同转速下单晶圆蚀刻的实验装置

结果和讨论

图2显示了外在气泡对表面粗糙度的影响。在1.5 M HF +1.5 M H3PO4 过量硝酸混合物中，在有和没有外来氮气鼓泡的情况下，蚀刻具有非常低光泽度(0-5光泽度单位)和高f (0.2-0.3 mm)的粗糙硅晶片。当存在固有的气泡掩蔽效应时，粗糙度的改善非常差。当Rm、g较高时。当存在外来气泡时，Rm，g较低，因此，在存在外来气泡时，抛光效率和粗糙度的降低较高。因此，在不同流体动力学条件下蚀刻的硅晶片的粗糙度可以用所提出的唯象模型来解释。

蚀刻剂温度，如氟化氢的浓度，会影响动态电阻。它也会影响传质阻力。因此，Rr、HF和Rm、eff、HF都随着温度的升高而降低。对于对温度依赖性较弱的反应，动力学效应随温度增加。对于对温度有强烈依赖性的反应，传质效应随着温度的升高而增加。然而，在不同的蚀刻条件下，这些参数对温度的依赖性可能不同。为研究温度的影响而进行的一些实验产生了不清楚的结果。

图2:外部冒泡对粗糙度的影响

结论

硅蚀刻法是一种受传质影响的三相体系。三相蚀刻系统可以在现象学上建模为一个两相系统。传质和动力学对蚀刻过程的动力学影响可以用有效的扩散电阻与动力学电阻的比值来解释。一个粗糙的硅片是一个以平均粗糙度为特征的峰谷场。在传质影响系统中，由于局部传质电阻的不同，峰处的蚀刻速率高于谷处的蚀刻速率。因此，在存在传质的情况下发生化学抛光。利用所提出的现象学模型和实验数据解释了抛光效率(实际抛光速率与最大抛光速率的比)与有效传质阻力与动力学阻比的关系。

蚀刻反应的气体产物形成固有的泡沫，掩盖了硅晶圆表面的局部位置，这导致表面不规则，这可以用气泡掩盖缺陷来解释。气泡脱离表面的影响，以及气泡和高频通过传质膜的传输被归类为一个有效的传质电阻。在没有过多的泡沫掩蔽效应的情况下，抛光效率随着有效传质电阻与动力学电阻之比而提高，达到最佳值，然后减小。当这个比率大于临界气泡掩蔽阻值时，气泡掩模抛光效率显著，因此抛光效率降低。抛光效率的降低也可以导致在非常高的传质电阻的峰和谷蚀刻速率之间的差异的减少。添加增稠剂增加传质阻。因此，通过加入惰性增稠剂，可以增加传质阻与动力学阻的比值。此外，动力学电阻随着高频浓度的变化而变化，对传质电阻的影响可以忽略不计。因此，这个比率也可以通过改变心衰浓度来控制。当溅射电阻和动力学电阻随温度变化时，抛光效率不随温度有明显变化。

因此，有效传质阻力与动力学阻的比值必须高于临界最小值，并低于临界气泡掩蔽值，才能达到较高的抛光效率。

审核编辑：汤梓红