Silicon (SI) és un material fonamental de la indústria de semiconductors i la seva tecnologia de processament és crucial per al desenvolupament de microelectrònics i sistemes microelectromecànics (MEMS). En el processament del silici, la tecnologia de gravat és un dels passos clau per aconseguir estructures de micro-nano complexes. Tanmateix, la velocitat de gravat de silici no és uniforme, sinó que depèn molt de l’orientació del cristall (direcció de cristall). Aquesta dependència d’orientació del cristall és el resultat directe de les diferències en la densitat d’arranjament i l’orientació d’unió química dels àtoms de silici en diferents plans de cristall. Aquest article tractarà detalladament la relació entre la taxa de gravat de silici i l’orientació del cristall i analitzarà la seva aplicació pràctica en el processament de micro-nano.
Estructura de cristall de silici i orientació del cristall
El silici és un cristall amb una estructura de diamants i la seva disposició atòmica mostra diferències significatives en diferents avions de cristall. Els avions comuns de cristall inclouen els avions (100), (110) i (111).
(100) Pla de cristall: la disposició atòmica és relativament fluixa i els enllaços químics estan més exposats.
(110) Pla de cristall: la densitat atòmica és entre (100) i (111).
(111) Pla de cristall: la disposició atòmica és la més compacta i els enllaços químics són difícils de ser atacats per la gravat.
Les diferències en la disposició atòmica d’aquests plans de cristall afecten directament la taxa de gravat, fent que el comportament de gravat de diferents plans de cristall mostri una anisotropia significativa.
Dependència d’orientació del cristall en el gravat humit
El gravat humit és una de les tècniques d’ús comú en el processament de silici, especialment en el gravat anisotròpic. Els gravadors d'ús comú inclouen solucions alcalines com KOH (hidròxid de potassi) i TMAH (hidròxid de tetrametilamoni). Les taxes de gravat de diferents plans de cristall varien significativament:
(100) Pla de cristall: a causa de la disposició solta dels àtoms, la velocitat de gravat és la més ràpida.
(110) Pla de cristall: la velocitat de gravat és més ràpida, però lleugerament inferior al pla (100).
(111) pla de cristall: a causa de la disposició estreta dels àtoms, la velocitat de gravat és la més lenta
Per exemple, a la solució KOH, la proporció de velocitat de gravat sol ser (100) :( 110) :( 111)=400: 600: 1. Aquesta propietat anisotròpica permet que el gravat humit controli amb precisió la morfologia de l'estructura en les hòsties de silici.
Dependència de l’orientació del cristall en el gravat sec
El gravat en sec (com ara el gravat plasmàtic i el gravat reactiu d’ions) sol presentar una anisotropia més forta, però la seva dependència d’orientació del cristall és més feble. El gravat en sec aconsegueix principalment l’eliminació de materials combinant el bombardeig físic i la reacció química, de manera que la influència de l’orientació del cristall es reflecteix principalment en el control de la morfologia de la paret lateral.
Factors clau que afecten la taxa de gravat de silici
A més de l’orientació del cristall, la taxa de gravat de silici també es veu afectada pels següents factors:
Temperatura: L’augment de la temperatura generalment accelera la reacció de gravat, però la relació de les taxes de gravat per a cada pla de cristall continua sent relativament estable.
Concentració gravadora: les altes concentracions de graves (com el KOH) poden millorar l’anisotropia, mentre que les concentracions baixes poden reduir la selectivitat.
Concentració de dopatge: es pot reduir significativament la velocitat de gravat del silici molt dopat (com el tipus P ++) i fins i tot es pot aconseguir una aturada electroquímica.
