VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROTECHNOLIGIE FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL AND ELECTRONIC TECHNOLOGY SUCHÉ A MOKRÉ CESTY LEPTÁNÍ KŘEMÍKU DRY AND WET SILICON ETCHING METHODS SEMESTRÁLNÍ PROJEKT SEMESTRAL PROJECT AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. STANISLAV KRÁTKÝ Ing. MILAN MATĚJKA BRNO 2010

2 Abstrakt: Tato práce se zabývá mokrými a suchými leptacími procesy mokrystalického křemíku. Zabývá se krystalografickými rovinami a směry a jejich vlivem na leptání křemíku. Podrobněji se zaměřuje na mokré izotropní a anizotropní leptání křemíku. Abstract: This study deals with wet and dry etching process of monocrystalline silicon. It examines crystallographic planes and orientations and its influence on the etching of silicon. The Study deals with wet isotropic and anisotropic etching of silicon in detail. Klíčová slova Mokré leptací procesy, suché leptací procesy, monokrystalický křemík, izotropní leptání, anizotropní leptání. Key words: Wet etching, dry etching, monorystalline silicon, isotropic etching, anisotropic etching.

3 Bibliografická citace díla: KRÁTKÝ, S. Suché a mokré cesty leptání křemíku. Brno: VUT v Brně, FEKT, s. Vedoucí semestrální práce Ing. Milan Matějka. Prohlášení autora o původnosti díla: Prohlašuji, že jsem svůj semestrální projekt na téma Suché a mokré cesty leptání křemíku vypracoval samostatně pod vedením vedoucího semestrálního projektu a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedeného semestrálního projektu dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením tohoto projektu jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. V Brně dne Poděkování: Děkuji vedoucímu semestrálního projektu Ing. Milanu Matějkovi za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mého projektu. Dále bych chtěl poděkovat pracovníkům laboratoře elektronové litografie Ústavu přístrojové techniky Akademie věd České republiky, jmenovitě pak doc. Ing. Vladimíru Kolaříkovi, Ph.D., Stanislavu Královi a Mgr. Františku Matějkovi za jejich ochotu a pomoc při zpracování tohoto projektu. V Brně dne

4 Obsah ÚVOD MONOKRYSTALICKÝ KŘEMÍK LEPTÁNÍ MOKRÉ LEPTACÍ PROCESY IZOTROPNÍ LEPTÁNÍ ANIZOTROPNÍ LEPTÁNÍ Leptání křemíku [100] Leptání křemíku [110] Leptání systémem KOH-H 2 O SUCHÉ LEPTACÍ PROCESY ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ

5 Seznam Obrázků OBR. 1: KRYSTALICKÁ MŘÍŽKA KŘEMÍKU... 7 OBR. 2: KRYSTALOGRAFICKÉ SMĚRY... 8 OBR. 3: KRYSTALOGRAFICKÉ ROVINY... 8 OBR. 4: MILLEROVY INDEXY... 9 OBR. 5: KŘEMÍKOVÉ SUBSTRÁTY (100) A (111)... 9 OBR. 6: PŘÍKLAD IZOTROPNÍHO A ANIZOTROPNÍHO LEPTÁNÍ OBR. 7: VLIV PROMÍCHÁVÁNÍ LEPTACÍ LÁZNĚ NA TVAR VYLEPTANÉHO PROFILU PŘI MOKRÉM ISOTROPNÍM LEPTÁNÍ OBR. 8: OBDÉLNÍKOVÁ MASKA SESOUHLASENÁ S FAZETAMI A VÝSLEDNÝ TVAR LEPTU SUBSTRÁTU S ORIENTACÍ [100] PŘI ANIZOTROPNÍM MOKRÉM LEPTÁNÍ OBR. 9: MAXIMÁLNÍ HLOUBKA LEPTU PŘI ANIZOTROPNÍM LEPTÁNÍ SUBSTRÁTU ORIENTACE [100] PŘES OBDÉLNÍKOVOU MASKU SESOUHLASENOU S FAZETAMI SUBSTRÁTU OBR. 10: VLIV NATOČENÍ MASKY O 45 VZHLEDEM K FAZETÁM SUBSTRÁTU S ORIENTACÍ [100] NA ANIZOTROPNÍ LEPTÁNÍ OBR. 11: TVAR MASKY A VÝSLEDNÝ LEPT PŘI ANIZOTROPNÍM LEPTÁNÍ SUBSTRÁTU ORIENTACE [110] OBR. 12: TVAR ANIZOTROPNÍHO LEPTU SUBSTRÁTU ORIENTACE [110]

6 Úvod Tato práce se zabývá teorií leptacích procesů křemíku. První kapitola se zaměřuje na stavbu křemíku, resp. monokrystalického křemíku, která úzce souvisí se zákonitostmi leptání křemíku. Především jsou zde rozebrány krystalografické směry a roviny. Druhá kapitola se zaměřuje na leptání v širším slova smyslu. Následující kapitola se zabývá konkrétními mokrými leptacími technikami užívanými pro leptání křemíku. Jsou zde podrobně rozebrány možnost a omezení, výhody a nevýhody izotropních a anizotropních technik. Poslední kapitola se zaměřuje okrajově na suché leptací procesy. Slouží pouze jako srovnání s mokrými leptacími procesy

7 1 Monokrystalický křemík Než se pustíme do popisu samotného leptání, seznámíme se s materiálem, kterého se bude leptání týkat. Jde o monokrystalický křemík. Celý ingot monokrystalického křemíků se skládá z opakování krystalické mřížky diamantového typu (obr. 1b). Ta vznikne sloučením dvou mřížek kubických plošně centrovaných (obr. 1a). Z toho vyplývá, že křemík je velmi tvrdý, ale křehký materiál. a) b) Obr. 1: Krystalická mřížka křemíku Z hlediska leptání nás dále zajímají tzv. krystalografické směry a krystalografické roviny. Zavádí se kvůli anizotropii vlastností (tzn. v různých směrech resp. rovinách má látka různé vlastnosti). Krystalografické směry se získají tak, že se základní mřížka promítne do pravoúhlé soustavy souřadnic (obr. 2) a zapíší se jednotlivé souřadnice koncového bodu šipky, která určuje daný směr. Pro lepší názornost poslouží obr

8 z x y [100] [110] [111] Obr. 2: Krystalografické směry Krystalografické roviny pak získáme tak, že spojíme jednotlivé souřadnice, které tentokrát zapíšeme do kulatých závorek. Krystalografický směr odpovídající dané rovině v kubické mřížce je na tuto rovinu vždy kolmý. Pro lepší názornost opět poslouží obr 3. (100) (110) (111) Obr. 3: Krystalografické roviny Pro označení různých krystalografických rovin se také používají tzv. Millerovy indexy. Millerovy indexy odpovídající určité rovině se zapisují ve tvaru (hkl). Millerovy indexy pro danou rovinu získáme podle následujících kroků (obr. 4): zapíšeme úseky, které vytíná daná rovina na osách x, y, z, převrácené hodnoty takto získaných čísel převedeme na nejmenšího společného jmenovatele, trojice čísel v čitateli jsou Millerovy indexy dané roviny

9 Úseky na osách Převrácené hodnoty Millerovy indexy Obr. 4: Millerovy indexy Pro označení rovin, které jsou v daném krystalu krystalograficky ekvivalentní, se dále používá zápisu ve složených závorkách. Jako názorný příklad poslouží kubická soustava, u které jsou stěny krychle tvořeny rovinami {100} = (100) + (010) + (001) + (100) + (010) + (001). [5] V mikrotechnologiích se nejčastěji používají křemíkové substráty s orientací [100], [110] a [111], tzn. funkční leštěný povrch je totožný s krystalografickými rovinami (100), (110) a (111) s tím, že z výroby mají určitou toleranci odklonu od požadované roviny povrchu. Jednotlivé typy křemíkových substrátů se od sebe jednoduše rozliší podle seříznutých krajů, tzv. fazet (obr. 5). Fazety jsou dány i typem příměsi ve křemíku. (100) (111) P primární fazeta primární fazeta 90 sekundární fazeta N sekundární fazeta primární fazeta primární fazeta sekundární fazeta Obr. 5: Křemíkové substráty (100) a (111) - 9 -

10 2 Leptání Obecně můžeme leptání popsat jako chemicko/fyzikální proces, kdy tvarujeme povrch leptaného materiálu. Vhodným leptadlem můžeme leptat všechny typy materiálů od vodičů, přes polovodiče až po dielektrické materiály. Nejvíce se však v mikroelektronice využívá leptání polovodičových materiálů. Konkrétně pak při těchto operacích: čištění, leštění a odstraňování krystalových poruch na povrchu substrátu polovodiče s cílem zlepšit povrchové vlastnosti daného materiálu, ztenčování polovodičových substrátů, ve spojení s litografickým procesem, kdy leptání probíhá přes masku (tvořenou např. polymerním rezistem nebo oxidem leptaného materiálu) a tvarujeme tak funkční vrstvy polovodičového substrátu, diagnostika polovodičů a vyrobených struktur, např. při zvýraznění dislokací, zviditelnění PN a jiných přechodů a koncentračních profilů, apod. [2] V technologii polovodičů se nejčastěji používá rozdělení technologie leptání na tzv. mokré a suché leptací procesy. Tyto dvě velké skupiny dělíme na další konkrétnější leptací techniky (viz níže). Mokrými procesy rozumíme chemické leptání, kdy roztok leptadla působí na leptanou látku. Naproti tomu v suchých procesech dochází k leptání působením plynu obvykle ionizovaného. Ať už jde o mokré nebo suché procesy, ve výsledku nám nás zajímají stejné následující parametry: podleptání masky, řiditelnost leptacího procesu, rychlost leptání, selektivita leptání (poměr leptacích rychlostí masky a leptaného materiálu), dosažitelné rozlišení, izotropie resp. anizotropie procesu. Na následujících stránkách jsou popsány jednotlivé leptací techniky se zaměřením na leptání křemíku

11 3 Mokré leptací procesy Jak už bylo výše řečeno, u mokrých procesů jde o chemické leptání, kdy dochází k chemické reakci mezi leptadlem a povrchem leptané látky. Tuto reakci můžeme obecně rozdělit do tří následujících fází: transport molekul leptadla a jejich adsorpce k povrchu leptané látky, chemická reakce mezi molekulami leptadla a molekulami leptané látky (oxidačně redukční reakce), uvolnění produktů chemické reakce z povrchu leptané látky. Mokré leptací procesy se obvykle dělí na izotropní a anizotropní. U izotropního leptání dochází k leptání materiálu (v našem případě křemíku) stejnou rychlostí ve všech krystalografických směrech (obr. 6). V případě anizotropního leptání dochází k leptání různými rychlostmi v různých směrech (obr. 6). Obě dvě techniky našli své využití v různých operacích. Maskovací materiál Si substrát 3.1 Izotropní leptání izotropní anizotropní Obr. 6: Příklad izotropního a anizotropního leptání Mokrým izotropním leptáním křemíku vznikají kruhové vzory. Jako leptadla se většinou používají směsi kyseliny dusičné (HNO 3 ) a kyseliny fluorovodíkové (HF). Podle [3] může být jako ředicí prostředek použita voda (H 2 O), ale doporučuje se použití kyseliny octové (CH 3 COOH), protože ta lépe brání disociaci kyseliny dusičné a zachovává tak její leptací (oxidační) sílu, která právě závisí na nedisociované části HNO 3 v širokém rozsahu zředění. Toto leptadlo se nazývá HNA. Reakce probíhající při leptání roztokem HNA se dá zjednodušeně popsat následovně. Oxidačním činidlem (v případě HNA je to HNO 3 ) dochází k injekci děr do valenční hladiny křemíku. Nadbytek děr způsobí narušení kovalentních vazeb mezi atomy křemíku a dojde k jeho oxidaci. Oxidované fragmenty křemíku reagují s OH - a následně dojde k rozpuštění fragmentů v HF

12 Typické složení systému HNA je následující: 250 ml HF, 500 ml HNO 3 a 800 ml CH 3 COOH [3]. Při pokojové teplotě dosahujeme podle [3] leptacích rychlostí 4 až 20 µm/min (vyšších rychlostí dosáhneme promícháváním). Promíchávání ovlivňuje i tvar vyleptaného vzoru (obr. 7) Nejvyšších rychlostí dosahujeme při hmotnostním poměru HF:HNO 3 2:1. Přidáním rozpouštědla dochází ke zpomalení leptání. Leptací rychlost ovlivňuje i teplota, při které k leptání dochází. Se zvyšující se teplotou dochází přímo úměrně k růstu rychlosti leptání a to tak, že při nižších teplotách je růst leptací rychlosti pomalejší a po překročení určité teploty se růst zvýší. Podle [3] je tato hranice pro složení 45% HNO 3, 20% HF a 35% CH 3 COOH na 30 C. Dalším činitelem, který výrazně ovlivňuje leptací rychlost je typ a koncentrace příměsí ve křemíku. Rychlost leptání při snížení koncentrace příměsí (ať už v N typu nebo P typu polovodiče) z cm -3 na cm -3 klesne přibližně 150 krát. SiO 2 maska s promícháváním Si substrát bez promíchávání Obr. 7: Vliv promíchávání leptací lázně na tvar vyleptaného profilu při mokrém isotropním leptání Jelikož je mokré isotropní leptání velmi rychlé a agresivní je problémem najít vhodný maskovací materiál, který by leptání odolal. Pro mělké lepty je SiO 2 dostatečným řešením při rychlosti leptání 30 až 80 nm leptadlem HNA. Pro hlubší lepty je vhodné použít odolnější materiál jako Au nebo Si 3 N 4. Rezist je v tomto případě nedostačujícím maskovacím materiálem, protože nevydrží agresivní působení HNO 3 a vzhledem ke své tloušťce mizí prakticky okamžitě. Speciálním případem izotropního mokrého leptání je tzv. elektrochemické izotropní leptání. Zde se oxidačním činidlem, které dodává do povrchové vrstvy křemíku díry, stává elektrický proud. Oxidace je způsobena přiložením kladného náboje na leptaný křemík (opačná elektroda je obvykle z platiny). Jako rozpouštědlo zde může být opět použita HF nebo např. NH 4 F. Tato leptací technika je vhodná pro vysoce dotovaný křemík ať už N-typ nebo P-typ. Leptání touto technikou po sobě zanechává tenkou vrstvu slaběji dotovaného křemíku, případně křemík opačného typu, než byl výchozí křemík. Protože zde není přítomno agresivní oxidační činidlo HNO 3, můžeme využít jako maskovací materiál i polymerní rezist. Tato technika se převážně používá k leštění povrchu křemíku (dosahujeme zde vysoké hladkosti povrchu, průměrná hrubost R A 7 nm). Oproti běžnému isotropnímu leptání leptadlem HNA má několik výhod: může být provozováno při pokojové teplotě, je snadno řiditelné prostým zapnutím a vypnutím zdroje proudu a je mnohem jemnější

13 S mokrým izotropním leptáním je spojena řada problémů. Prvním z nich je problém s maskováním a s tím spojená limitace dosaženého rozlišení. Dalším je rychlost leptání, která je v některých případech velmi vysoká a vysoce závislá na teplotě. Výše zmíněné problémy částečně řeší elektrochemické izotropní leptání. Posledním problémem je právě izotropie vlastností. Proto došlo k rozvoji mokrých anizotropních technik. 3.2 Anizotropní leptání Mokrým anizotropním leptáním můžeme dosáhnout rozličných tvarů leptu. Toho dosahujeme právě díky různým leptacím rychlostem v různých krystalografických směrech. Pro mokré anizotropní leptání se prakticky využívají substráty s krystalografickou orientací [100] a [110], resp. rovinami (100) a (110). Substrát s krystalografickou orientací [111] se nevyužívá, protože leptací rychlost v tomto směru je oproti dvěma výše zmíněným velmi malá, prakticky zanedbatelná. [3] a [1] se shodují, co se týče typických poměrů leptacích rychlostí R <110> /R <100> /R <111> (400/200/1). V tab. 1 jsou uvedeny úhly mezi důležitými krystalografickými rovinami a směry, díky nimž poté můžeme vypočítat rychlosti leptání v různých směrech. Tab. 1: Úhly mezi důležitými krystalografickými rovinami a směry v kubické krystalové soustavě [5] HKL hkl úhel úhel úhel ,00 90, ,00 90, , ,00 60,00 90, ,26 90, ,00 70,53 Podle [3] existuje několik modelů, které se snaží vysvětlit anizotropii leptání. Mezi dva nejpravděpodobnější a nejkomplexnější patří tzv. Seidelům model a Elwenspoekův model. Seidelům model vysvětluje anizotropii na základě hustoty vazeb v dané rovině a tím potřebné energie na odtržení atomu křemíku. Tzn. každá krystalografická rovina rozděluje krystalovou mřížku jiným způsobem. Když uvažujeme roviny {111}, tak jsou atomy natočeny tak, že pod rovinou se nachází tři vazby, a tím pádem je potřeba velká energie k narušení těchto vazeb, proto je leptání těchto rovin velmi pomalé oproti ostatním rovinám. Naproti tomu Elwenspoekům model hledá příčinu anizotropie leptání ve stupni atomové hladkosti povrchu v daných krystalografických rovinách. Jelikož na hladkém povrchu (největší hustota atomů) je obtížnější vytvářet zárodky, které budou následně odleptány, než na hrubém povrchu. Protože jsou roviny {111} atomově velmi hladké oproti ostatním rovinám, jsou leptány pomaleji než ostatní, hrubší, roviny

14 3.2.1 Leptání křemíku [100] Jestliže leptáme substrát s orientací [100] můžeme prakticky dosáhnout dvou různých tvarů výsledného leptu. Výsledný tvar závisí na tvaru (orientaci) masky. Obvykle se tvar masky vytváří souhlasně s orientací fazet substrátu (obr. 8). Výsledný lept bude mít tvar pyramidy s rovným dnem, kde šikmé plochy jsou tvořeny rovinami {111} a dno tvoří stejná rovina jako povrch substrátu (100). Úhel mezi šikmými plochami a dnem je Θ = 54,74 resp. doplňkový úhel Θ = 125,26. Pro lepší názornost poslouží obr. 8. Pohled shora Řez a (111) Maska SiO 2 a 0 (111) (100) (111) (111) d Θ Θ R <100> R <111> b Substrát Si Obr. 8: Obdélníková maska sesouhlasená s fazetami a výsledný tvar leptu substrátu s orientací [100] při anizotropním mokrém leptání Pro hloubku leptu a rychlost leptání pro roviny (100) a {111} poté můžeme odvodit následující vztahy: a b d = tgθ, (1) 2 d hloubka leptu [nm] a šířka odkryté masky [nm] b šířka dna [nm] Θ úhel mezi rovinami (100) a {111}, vždy 54,74 R <100> = d, (2) t t doba leptání [min] R <111> = a sinθ. (3) 2t

15 R <100> rychlost leptání ve směru [100] [nm/min] a = (a-a 0 ) podleptání masky (viz obr. 8) [nm] Jestliže budeme leptat dostatečně dlouhou dobu, dosáhneme maximální hloubky: d max = a 2, (4) 2 d max maximální hloubka [nm] kdy dojde k protnutí rovin {111} a prakticky se tím zastaví leptání. Vertikální řez bude mít tvar písmena V, s vrcholovým úhlem γ = 70,53 (viz obr. 9). K podleptání masky prakticky nedochází, pokud bude tvar masky dokonale sesouhlasen s fazetou substrátu. Čím větší bude odchylka, tím dojde k většímu podleptání, i přesto bude ale nepatrné oproti izotropnímu leptání. Pohled shora Řez (111) Maska SiO 2 (111) (111) (111) d max γ Substrát Si Obr. 9: Maximální hloubka leptu při anizotropním leptání substrátu orientace [100] přes obdélníkovou masku sesouhlasenou s fazetami substrátu. Jestliže zvolíme tvar masky natočený o 45 vzhledem k fazetě substrátu s orientací [100] (obr. 10), pak podle [3] vytvoříme lept s kolmými stěnami, které odpovídají krystalografickým rovinám {100} stejně jako dno leptu

16 Pohled shora Řez [010] [001] Maska SiO 2 (100) [001] [010] d d Substrát Si Obr. 10: Vliv natočení masky o 45 vzhledem k fazetám substrátu s orientací [100] na anizotropní leptání Tímto způsobem se ale vytváření kolmých stěn prakticky nepoužívá, protože vlivem rychlého leptání ve směru [100] dochází k výraznému podleptání masky. Výsledné podleptání masky je tak rovno výsledné hloubce leptu. Kvůli zmíněnému podleptání masky se proto tento způsob vytváření kolmých stěn anisoptropním leptáním nepoužívá Leptání křemíku [110] Pro tvorbu kolmých stěn je vhodnější použít substrát s krystalografickou orientací [110]. Jelikož kolmé stěny jsou tvořeny rovinami {111} nedochází k takovému podleptání jako ve výše uvedeném případě. Abychom vytvořili lepty s kolmými stěnami, musí být podle [4] maska velice přesně zorientována v souladu s krystalografickými směry [112], které spolu svírají stejně jako roviny {111} úhel 70,53 (obr. 11). Výsledné lepty budou ohraničeny čtyřmi kolmými rovinami {111} a dvěma šikmými rovinami {111}. Proto nejsme schopni vytvořit pravoúhlé lepty. Ukázka vytvořeného leptu je na obr. 12. leptací maska Pohled shora šikmá rovina {111} kolmé roviny {111} (110) [111] tvar leptu [111] [112] [112] Obr. 11: Tvar masky a výsledný lept při anizotropním leptání substrátu orientace [110]

17 šikmá {111}, 35,26 kolmá {111}, 90 kolmá {111}, 90 (110) Leptání systémem KOH-H 2 O Obr. 12: Tvar anizotropního leptu substrátu orientace [110] Anizotropních leptadel křemíku používaných při mokrých leptacích procesech existuje velké množství, pokaždé jde o alkalické lázně. Patří sem množství anorganických roztoků jako KOH, NaOH, LiOH, CsOH, RbOH, NH 4 OH. Mezi organická řešení patří ethylenediamine, hydrazin, pyrokatechol a pyrazin. Nejčastěji se ze zmíněných leptadel používá vodný roztok KOH. Nejvyšších leptacích rychlostí se podle [4] dosahuje při koncentracích 10% hm KOH. Se zvyšující se koncentrací KOH leptací rychlosti klesají, ale zvyšují se poměry leptacích rychlostí mezi jednotlivými rovinami. Někdy se do roztoku KOH přidává isopropanol za účelem snížení leptacích rychlostí ve směru [111] a zvýšení poměrů rychlostí mezi krystalovými směry. Výše zmíněné závislosti jsou dosahovány při teplotě 80 C, což je běžná teplota pro anizotropní leptání vodným roztokem KOH. Leptání v jednotlivých směrech je na teplotě velmi závislé a se vzrůstající teplotou se zvyšuje. Závislost na teplotě mezi jednotlivými rovinami je následující (111) > (100) > (110). Co se týče závislosti leptacích rychlostí na koncentraci příměsí, tak u křemíku typu N, dochází se zvyšujícími koncentracemi k nepatrnému snížení leptacích rychlostí (dochází k tomu ale až od vysokých koncentrací N D > cm -3 ). Ovšem pro křemík typu P s příměsí bóru se projevuje silná závislost leptací rychlosti R <100> od koncentrace N A > cm -3. Závislost má také klesající charakter a při koncentraci N A = cm -3 dochází k úplnému zastavení leptání. Toho se využívá k dosažení velmi přesných hloubek leptů, kdy se do určité hloubky vytvoří vrstva silně dotovaná bórem. Poté se provede leptání z druhé strany substrátu a leptání se samovolně zastaví na zmíněné vrstvě. Anizotropní leptání po sobě obvykle zanechává poměrně hrubý povrch. Hrubost se snižuje se zvyšující se koncentrací KOH, ale současně tím klesá leptací rychlost. Většinou se volí

18 koncentrace kolem 40% hm jako dobrý kompromis mezi hladkostí povrchu a leptací rychlostí. Někdy se k dosažení vyšší hladkosti povrchu používá krátké izotropní leptání, které následuje bezprostředně po anizotropním leptání. Maskovací materiál vybíráme podle charakteru výsledného leptu. Jestliže budeme vytvářet nepříliš hluboké lepty a leptání proběhne poměrně rychle, můžeme použít SiO 2. Leptací rychlost SiO 2 je přibližně 80 nm/h při teplotě 60 C pro koncentraci 35% hm KOH. Jestliže bude leptání probíhat několik hodin, za dosažením velmi hlubokých leptů, popř. proleptání celého substrátu je nutné použít jako maskovací materiál Si 3 N 4. Během leptání v roztoku KOH dochází k odleptání pouze jednotek nanometrů během několika hodin. Podle [4] můžeme při nízkých teplotách (do 40 C) použít jako maskovací materiál i rezist PMMA, kdy nedochází k žádné degradaci rezistu. Ovšem přidáním isopropanolu do roztoku KOH- H 2 O dochází k rozpouštění vrstvy PMMA

19 4 Suché leptací procesy Vznik a rozvoj suchých leptacích procesů si vyžádala stále větší miniaturizace v mikrotechnologiích (potažmo nanotechnologiích), protože mokré leptací procesy nevyhovují submikronovým rozměrům. Jak už bylo výše řečeno, suché leptací procesy využívají jako leptací médium plyn. Dělíme je do tří skupin podle toho, jakým mechanismem je pevný povrch leptán: chemicky, kdy dochází k chemické reakci mezi částicemi leptadla (plynu) a částicemi povrchu leptaného materiálu, fyzikálně, kdy ionty bombardujeme povrch leptaného materiálu, a leptání je docíleno kinetickou energií bombardující částice, chemickofyzikálně, což je kombinace obou mechanismů. V následující tabulce (tab. 2) je uvedeno srovnání mokrých a suchých procesů. Tab. 2: Srovnání mokrých a suchých leptacích procesů [3] Parametr Suché leptání Mokré leptání Tvary leptů Pro většinu materiálů prakticky libovolné Určité tvary pouze pro monokrystalické materiály Automatizace Dobrá Slabá Dopad na životní Nízký Vysoký prostředí Adheze maskovacích Ne až tak kritická Velmi kritická materiálů Cena leptadel Nízká Vysoká Selektivita Slabá Až velmi vysoká Leptané materiály Pouze určité materiály (nedá se leptat Všechny např. Fe, Ni, Co) Poškození zářením Za určitých podmínek ano Žádné Čistota procesu Za správných podmínek dobrá Velmi dobrá Tolerance dosažených Velmi dobrá (<0,1 µm) Slabá rozměrů Cena vybavení Vysoká Nízká Submikronové rozměry Dosažitelné Efektivně nedosažitelné Typická leptací rychlost Pomalá (0,1 µm/min) Rychlá (1 µm/min, anizo.) Teorie dané techniky Velmi komplexní Lépe pochopitelná Nastavitelné parametry Mnoho Málo Řízení leptací rychlosti Dobré, díky pomalé leptací rychlosti Obtížné

20 5 Závěr V této práci jsem se seznámil převážně s mokrými leptacími technikami, jejich výhodami a nevýhodami. Tyto poznatky by měly posloužit k další práci, kde se budu zabývat měřením leptacích rychlostí a selektivity leptání u vybraných mokrých leptacích technik. Zaměřím se konkrétně na izotropní leptání systémem HNA a dále pak anizotropní leptání systémem KOH- H 2 O. Jako maskovací materiál použiji, oxid křemíku, nitrid křemíku a kde to bude možné tak i polymerní elektronový rezist. Leptané struktury budou připraveny pomocí elektronové litografie. Následně vytvořené vzorky pak budou proměřeny mikroskopem atomárních sil a případné řezy elektronovým mikroskopem

21 Seznam použitých zdrojů [1] CUI, Z. Nanofabrication: Principles, Capabilities and Limits. 1. vyd. New York: Springer Science + Business Media, LLC, s. ISBN [2] HÜTTEL, I. Technologie materiálů pro elektroniku a optoelektroniku. 1. vyd. Praha: VŠCHT v Praze, s. ISBN [3] MADOU, Marc J. Fundamentals of microfabrication: The Science of Miniaturization. 2. vyd. Boca Raton: CRC Press LLC, s. ISBN [4] MATĚJKA, F. Technologie anizotropního leptání monokrystalického křemíku [Interní zpráva ÚPT AV ČR] [5] MATĚJKA, F., BRZOBOHATÝ, J. Technologie materiálů. 1. vyd. Praha: SNTL, s

22 Seznam použitých symbolů Symbol Název a, a 0 Šířka odkryté masky d, d max Hloubka, resp. maximální hloubka leptu h, k, l Millerovy indexy N A Koncentrace akceptorových příměsí N D Koncentrace donorových příměsí R <hkl> Rychlost leptání v daném krystalografickém směru R A Průměrná hrubost povrchu t Doba leptání Θ, Θ, γ Úhel mezi krystalografickými rovinami