Фильтрация реагентов для химического травления

Для формирования трехмерных структур из монокристаллического кремния используются различные методы травления (жидкостное анизотропное, жидкостное изотропное, химическое газовое, электрохимическое, ионное реактивное), а также ультразвуковая, лазерная и лучевая обработка. При использовании жидкостных методов травления большую роль играет чистота химических реагентов, поэтому их фильтрация является важной составляющей успеха.

Жидкостное изотропное травление кремния – двухстадийный процесс, включающий в себя первоначальное окисление кремния двуокисью азота, образующейся из азотной кислоты, до оксида кремния с последующим травлением оксида кремния плавиковой кислотой с образованием гексакремниевой кислоты.

Суммарное уравнение данной реакции может быть записано в виде:

 4HNO₃ + 2Si +12HF → 4NO + 6H₂O + O2 + 2H₂SiF₆

Добавление уксусной кислоты позволяет снизить скорость образования гексакремниевой кислоты (для непрерывного удаления диокисда кремния) и улучшает пространственную однородность травления.

Качество азотной и плавиковой кислот влияет на профиль фигур травления, поэтому они должны быть отфильтрованы перед началом процесса. Данные кислоты являются агрессивными, поэтому для их фильтрации мы предлагаем фильтрующий элемент Amazon Supapore 16TLB, в котором в качестве фильтрующего материала применяется высококачественная мембрана и ПТФЭ, а в оснастка (внешний каркас, сердечник, адаптер) сделаны из ECTFE (известный под торговой маркой Halar) – этиленхлортрифторэтилена, сополимера этилена с трифторхлорэтиленом.

Данный материал характеризуется превосходной химической и термической стойкостью и совместим с плавиковой кислотой в концентрации до 50% при температуре до 150 °С и с азотной кислотой в концентрации до 65% при температуре до 66 °С.

При температурах ниже 45 °С при концентрациях HF до 50% и HNO₃ до 20% отличным выбором будет картридж Amazon Supapore 16TPG с мембраной из ПТФЭ и оснасткой из полипропилена. Также отличным выбором будет элемент Amazon Supapore 16TLB (добавить в каталог) с фильтрующим материалом Halar ECTFE и оснасткой из полипропилена.

Жидкостное анизотропное травление кремния применяется при изготовлении интегральных схем, имеющих диэлектрическую или воздушную изоляцию компонентов. Чаще всего применяют водные растворы щелочей (гидроксиды калия 33%, натрия или тетраметиламмония), этилендиамина 50% (иногда с добавлением пирокатехина). Травление этими растворами протекает при температуре порядка 100 °С.

В общем виде реакция анизотропного травления щелочными растворами может быть описана уравнением:

Si + 2OH^- + 2H₂O → Si(OH)₄ + H₂ → SiO2(OH)₂^2- +2H₂

Лимитирующей стадией является скорость травления. Из-за разницы в энергии активации атомов кремния травление кристалла в направлениях [100] и [110] протекает с более высокой скоростью, чем в направлении [111], при этом скорости травления в направлениях [100] и [111] могут различаться на два и более порядка.

Процесс протекает как поэтапное удаление слоев атомов с поверхности кристалла. При этом вода играет роль своеобразного катализатора окисления, создавая избыток ионов гидроксила.

Для фильтрации гидроксида натрия (NaOH) рекомендуем использовать элемент Amazon Supapore 16LNG, с фильтрующим материалом ECTFE Halar и оснасткой из нейлона. Оба материала совместимы с гидроокисью натрия в широком диапазоне температур.

Для фильтрации гидроксида калия (KOH) рекомендуем использовать элемент Amazon Supapore 16TLB (ссылка на брошюру), с фильтрующим материалом ПТФЭ и оснасткой из ECTFE Halar. Элемент может быть применен при рабочей температуре до 96 °С. Необходимо предварительное смачивание.

В случае применения других травителей – гидразингидрата, смеси гидразина с изопропиловым спиртом, смеси гидроксида калия с изопропиловым спиртом – Вы можете получить консультацию у наших специалистов (ссылка на контакты).

Жидкостное травление диоксида кремния может быть выполнено с применением единственного реагента – фтористоводородной кислоты. Кислота является весьма токсичной, поэтому рекомендуется тщательно выбирать концентрацию необходимую и достаточную для конкретного применения.

В процессе травления диоксида кремния происходит замещение атомов кислорода на фтор с образованием воды согласно уравнению:

SiO₂ + 4HF → SiF₄ +2H₂O

Применение плавиковой кислоты, стабилизированной фторидом аммония (буферный раствор BHF = NH₄F + HF + H₂O) позволяет:

• Достичь постоянной и контролируемой скорости травления и улучшить однородность за счет увеличения концентрации фторид-анионов:

NH₄F + H₂O → H₃O⁺ + F^- + NH₃

• Добиться увеличения скорости травления в 1,5-5,0 раз за счет эффективный ионов HF^2-
• Увеличить значение рН.

Следует обратить внимание, что значение рН такого буферного раствора близко к 7 и может не определяться индикаторами.

Для фильтрации буферного раствора рекомендуем картридж Amazon Supapore 16VPE, c анизотропной мембраной из полиэфирсульфона и оснасткой из полипропилена. Картриджи изготавливаются в чистых помещениях класса 8 и отмыты в деионизованной воде с сопротивлением 18 МОм*см.

Жидкостное травление нитрида кремния Si₃N₄ производится в концентрированной ортофосфорной кислоте при температурах 150-200 °С. Ортофосфорная кислота в меньшей степени, чем плавиковая воздействует на диоксид кремния. Скорость травления нитрида в 90%-ном водном растворе Н₃РО₄ при температуре 180 °С составит 10 нм/мин, а скорость воздействие на SiO₂ всего 1 нм/мин.

Для фильтрации ортофосфорной кислоты в концентрации до 95% рекомендуется фильтрующий картридж Amazon Supapore 16TTG, мембрана которого выполнена из гидрофобного ПТФЭ, а оснастка из PFA (перфторалкокси). Рекомендуемая рабочая температура – до 170 °С.

Жидкостное травление алюминия проводят в смеси растворов кислот: 1-5% HNO₃ (необходима для окисления алюминия), 65-80% Н₃РО₄ (для травления как исходного оксида алюминия, так и образующего при воздействии азотной кислоты) и СН₃СООН (для улучшения смачивания поверхности и буферизации азотной кислоты и H₂O для контроля скорости травления при заданной температуре.

Также травление может быть проведено щелочными травителями, например, водными растворами гидроксидов калия или натрия. Однако в этом случае не допустимо применение фоторезистивных масок из-за высокого значения рН.

Скорость травления алюминия в смеси азотной и ортофосфорной кислот сильно зависит от температуры и удваивается с каждым повышением температура на несколько градусов. Для сплава алюминия, содержащего до нескольких процентов кремния, скорость травления будет такой же.

Для фильтрации травителей данного типа рекомендуется фильтрующий картридж Amazon Supapore 16TTG, мембрана которого выполнена из гидрофобного ПТФЭ, а оснастка из PFA (перфторалкокси). Рекомендуемая рабочая температура – до 170 °С.