摘要

硅的三相、基于酸的濕法蝕刻中的傳輸和動力學效應的研究已經完成。由反應形成的氣泡附著在表面上的隨機位置，表面的一部分被反應物遮蔽。這種氣泡掩蔽效應被模擬為與液相傳質阻力平行作用的氣泡傳輸阻力。這些輸運效應被集中成一個有效的質量輸運電阻，它與動力學電阻串聯作用。結果表明，刻蝕表面形貌是有效傳質阻力與動力學阻力之比的函數。粗糙的表面是由峰和谷組成的區域。理論上，在質量傳遞影響下，峰值處的蝕刻速率高于谷值處的蝕刻速率。因此，表面被化學拋光。結果表明，拋光效率隨著傳質阻力與動力學阻力之比的增大而增大，達到最大值后減小。用發展的唯象模型和實驗數據解釋了傳質和動力學對表面粗糙度和光澤度的影響。

介紹

硅晶片的化學蝕刻是通過將晶片浸入蝕刻劑中來完成的，該蝕刻劑傳統上是硝酸和氫氧化鉀的稀釋劑或苛性堿溶液的酸性混合物。報道了苛性結晶學蝕刻的各種研究.2-4然而，本文只關注基于酸的蝕刻的傳輸和動力學效應。實際的反應機理相當復雜，涉及許多基本反應。氫和不同的氮氧化物會產生。已經提出了許多不同條件下硅片溶解的速率方程。

本研究的目的是展示我們的實驗數據，并使用一種新的非均相反應現象學模型對其進行分析。我們收集的數據與提出的非均相反應唯象模型一致，可以解釋硅表面特性的各個方面。由于提出的模型解釋了早期研究沒有解釋的蝕刻硅晶片表面的不同特征，因此有必要在公開文獻中報告這些數據和分析。

實驗

實驗在兩種不同的裝置中進行。1a蝕刻劑酸與任選的高壓氮氣一起被送入蝕刻機。當任選引入氮氣時，其在液體中保持良好的混合，并且部分以氣泡的形式存在。包含硅晶片的處理盒被放置在蝕刻機中，如圖所示。1a 處理箱內裝有一組轉子，可使晶圓圍繞其中心旋轉。在不同的濃度和溫度下蝕刻硅片，并使用三相唯象模型分析收集的數據。

圖1(a)蝕刻硅晶片的實驗組件，(b)不同轉速下單晶圓蝕刻的實驗裝置

結果和討論

圖2顯示了外在氣泡對表面粗糙度的影響。在1.5 M HF +1.5 M H3PO4 過量硝酸混合物中，在有和沒有外來氮氣鼓泡的情況下，蝕刻具有非常低光澤度(0-5光澤度單位)和高f (0.2-0.3 mm)的粗糙硅晶片。當存在固有的氣泡掩蔽效應時，粗糙度的改善非常差。當Rm、g較高時。當存在外來氣泡時，Rm，g較低，因此，在存在外來氣泡時，拋光效率和粗糙度的降低較高。因此，在不同流體動力學條件下蝕刻的硅晶片的粗糙度可以用所提出的唯象模型來解釋。

蝕刻劑溫度，如氟化氫的濃度，會影響動態電阻。它也會影響傳質阻力。因此，Rr、HF和Rm、eff、HF都隨著溫度的升高而降低。對于對溫度依賴性較弱的反應，動力學效應隨溫度增加。對于對溫度有強烈依賴性的反應，傳質效應隨著溫度的升高而增加。然而，在不同的蝕刻條件下，這些參數對溫度的依賴性可能不同。為研究溫度的影響而進行的一些實驗產生了不清楚的結果。

圖2:外部冒泡對粗糙度的影響

結論

硅蝕刻法是一種受傳質影響的三相體系。三相蝕刻系統可以在現象學上建模為一個兩相系統。傳質和動力學對蝕刻過程的動力學影響可以用有效的擴散電阻與動力學電阻的比值來解釋。一個粗糙的硅片是一個以平均粗糙度為特征的峰谷場。在傳質影響系統中，由于局部傳質電阻的不同，峰處的蝕刻速率高于谷處的蝕刻速率。因此，在存在傳質的情況下發生化學拋光。利用所提出的現象學模型和實驗數據解釋了拋光效率(實際拋光速率與最大拋光速率的比)與有效傳質阻力與動力學阻比的關系。

蝕刻反應的氣體產物形成固有的泡沫，掩蓋了硅晶圓表面的局部位置，這導致表面不規則，這可以用氣泡掩蓋缺陷來解釋。氣泡脫離表面的影響，以及氣泡和高頻通過傳質膜的傳輸被歸類為一個有效的傳質電阻。在沒有過多的泡沫掩蔽效應的情況下，拋光效率隨著有效傳質電阻與動力學電阻之比而提高，達到最佳值，然后減小。當這個比率大于臨界氣泡掩蔽阻值時，氣泡掩模拋光效率顯著，因此拋光效率降低。拋光效率的降低也可以導致在非常高的傳質電阻的峰和谷蝕刻速率之間的差異的減少。添加增稠劑增加傳質阻。因此，通過加入惰性增稠劑，可以增加傳質阻與動力學阻的比值。此外，動力學電阻隨著高頻濃度的變化而變化，對傳質電阻的影響可以忽略不計。因此，這個比率也可以通過改變心衰濃度來控制。當濺射電阻和動力學電阻隨溫度變化時，拋光效率不隨溫度有明顯變化。

因此，有效傳質阻力與動力學阻的比值必須高于臨界最小值，并低于臨界氣泡掩蔽值，才能達到較高的拋光效率。

審核編輯：湯梓紅