Silicon (SI) es un material central en la industria de semiconductores, y su tecnología de procesamiento es crucial para el desarrollo de microelectrónicas y sistemas microelectromecánicos (MEMS). En el procesamiento de silicio, la tecnología de grabado es uno de los pasos clave para lograr estructuras complejas de micro-nano. Sin embargo, la tasa de grabado de silicio no es uniforme, pero es muy dependiente de la orientación del cristal (dirección de cristal). Esta dependencia de la orientación cristalina es un resultado directo de las diferencias en la densidad de disposición y la orientación del enlace químico de los átomos de silicio en diferentes planos de cristal. Este artículo discutirá en detalle la relación entre la velocidad de grabado de silicio y la orientación al cristal, y analizará su aplicación práctica en el procesamiento de micro-nano.
Estructura cristalina de silicio y orientación al cristal
El silicio es un cristal con una estructura de diamantes, y su disposición atómica muestra diferencias significativas en diferentes planos de cristal. Los planos de cristal comunes incluyen (100), (110) y (111) planos.
(100) Plano de cristal: la disposición atómica está relativamente floja y los enlaces químicos están más expuestos.
(110) Plano de cristal: la densidad atómica está entre (100) y (111).
(111) Plano de cristal: la disposición atómica es la más compacta, y los enlaces químicos son difíciles de ser atacados por el grabado.
Las diferencias en la disposición atómica de estos planos de cristal afectan directamente la velocidad de grabado, lo que hace que el comportamiento de grabado de diferentes planos de cristal muestre anisotropía significativa.
Dependencia de la orientación al cristal en el grabado húmedo
El grabado húmedo es una de las técnicas comúnmente utilizadas en el procesamiento de silicio, especialmente en el grabado anisotrópico. Los grabados de uso común incluyen soluciones alcalinas como KOH (hidróxido de potasio) y TMAH (hidróxido de tetrametilamonio). Las tasas de grabado de diferentes planos de cristal varían significativamente:
(100) Plano de cristal: debido a la disposición suelta de los átomos, la velocidad de grabado es la más rápida.
(110) Plano de cristal: la velocidad de grabado es más rápida, pero ligeramente más baja que el (100) plano.
(111) Plano de cristal: debido a la disposición cercana de los átomos, la velocidad de grabado es la más lenta
Por ejemplo, en la solución KOH, la relación de velocidad de grabado suele ser (100) :( 110) :( 111)=400: 600: 1. Esta propiedad anisotrópica permite que el grabado húmedo controle con precisión la morfología de la estructura en las obleas de silicio.
Dependencia de la orientación al cristal en el grabado seco
El grabado seco (como el grabado en plasma y el grabado de iones reactivos profundos) generalmente exhiben una anisotropía más fuerte, pero su dependencia de orientación cristalina es más débil. El grabado seco logra principalmente la eliminación del material al combinar el bombardeo físico y la reacción química, por lo que la influencia de la orientación del cristal se refleja principalmente en el control de la morfología de la pared lateral.
Factores clave que afectan la tasa de grabado de silicio
Además de la orientación al cristal, la velocidad de grabado de silicio también se ve afectada por los siguientes factores:
Temperatura: el aumento de la temperatura generalmente acelera la reacción de grabado, pero la relación de las tasas de grabado para cada plano de cristal permanece relativamente estable.
Concentración de grabado: altas concentraciones de grabados (como KOH) pueden mejorar la anisotropía, mientras que las bajas concentraciones pueden reducir la selectividad.
Concentración de dopaje: la tasa de grabado de silicio muy dopado (como p ++ tipo) puede reducirse significativamente, e incluso se puede lograr una parada electroquímica.