車輪圖案和寬分離的V形槽的硅蝕刻速率測量實(shí)驗(yàn)

引言

我們介紹了在氫氧化鉀溶液中蝕刻的車輪圖案和寬分離的V形槽的硅蝕刻速率測量。數(shù)據(jù)表明，當(dāng)使用貨車輪圖案時(shí)，存在反應(yīng)物耗盡效應(yīng)，這掩蓋了真實(shí)的表面反應(yīng)速率限制的蝕刻速率。與以前的報(bào)道相反，從受反應(yīng)物傳輸影響較小的寬間隔V形槽獲得的蝕刻速率表明{ 111}蝕刻的活化能小于{ 100}蝕刻的活化能。我們的實(shí)驗(yàn)得到{ 111}面的激活能為0.53 eV，而{ 100}面的激活能為0.62 eV。表觀活化能對{ 111}的微小角度偏差高度敏感。

介紹

氫氧化鉀和其它溶液中硅的各向異性腐蝕已廣泛用于我們的實(shí)驗(yàn)室和其它地方，以制造用于光電子器件的V形槽，包括硅晶片板、OLED 1×N光纖分路器、1×N光開關(guān)和2×2光折射板開關(guān)。了解{ 111}面和{ 111}面附近的各向異性腐蝕行為對于V形槽腐蝕的精細(xì)設(shè)計(jì)和精確控制是必要的。 （111}硅平面的蝕刻速率遠(yuǎn)低于{ 111 }硅平面的蝕刻速率其他晶面是各向異性蝕刻的基本性質(zhì)。正是由于這種行為，深V形槽可以用精確定義的。頂角。盡管這一事實(shí)很重要，但晶體蝕刻速率各向異性的基本機(jī)制仍有爭議。

在這項(xiàng)工作中，除了用車輪掩模獲得的蝕刻速率之外，我們還研究了廣泛分離的V形槽蝕刻速率。我們發(fā)現(xiàn)，緊密間隔的V形槽始終以比寬間隔的V形槽更低的速率蝕刻，這意味著反應(yīng)速率受到反應(yīng)物和/或產(chǎn)物種類擴(kuò)散的影響。為了獲得真實(shí)的反應(yīng)速率限制的蝕刻速率的精確估計(jì)，這些擴(kuò)散效應(yīng)必須被最小化。此外，我們發(fā)現(xiàn)由晶片平面的輕微錯(cuò)位引起的誤差也必須考慮在內(nèi)。進(jìn)行這些修正后，我們的結(jié)果表明{ 111}硅腐蝕的活化能小于{ 100}硅腐蝕的活化能。本文描述了我們的實(shí)驗(yàn)，并討論了我們的結(jié)果和以前估計(jì)的{ 111}腐蝕速率激活能之間的差異。

討論

圖1顯示了在同一晶圓上測得的兩組橫向欠蝕刻數(shù)據(jù)。該實(shí)驗(yàn)清楚地表明，寬間隔V形槽的{ 111}蝕刻速率大于緊密間隔的車輪圖案的蝕刻速率。這個(gè)結(jié)果可以解釋如下。在化學(xué)蝕刻過程中，反應(yīng)物質(zhì)在表面不斷被消耗。結(jié)果，建立了從反應(yīng)表面到溶液主體的濃度梯度；這種濃度梯度是通過擴(kuò)散將反應(yīng)物種推向表面的力。蝕刻的整體動(dòng)力學(xué)將由反應(yīng)和擴(kuò)散兩個(gè)過程中較慢的一個(gè)來決定。有一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)來區(qū)分水化學(xué)過程的動(dòng)力學(xué):表觀活性

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對于擴(kuò)散限制過程，其能量約為0.13-0.26eV，而對于反應(yīng)限制過程，其能量約為0.43-0.86eV。我們在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的{111}蝕刻的活化能為0.53eV，在表面反應(yīng)限制過程的范圍內(nèi)。在使用馬車輪模式或緊密間隔的v型凹槽的實(shí)驗(yàn)中，附近模式的存在導(dǎo)致了對可用反應(yīng)物物種的競爭。這種競爭導(dǎo)致反應(yīng)物的局部耗盡，驅(qū)動(dòng)反應(yīng)的速度比大間隔的模式更慢。

所有觀察到的蝕刻輪廓，其中蝕刻圖案中心的蝕刻深度比邊緣更淺。這種效應(yīng)可以用靠近掩模邊緣和蝕刻圖案中心的反應(yīng)物的擴(kuò)散限制傳輸之間的差異來解釋。還報(bào)道了“一些損耗效應(yīng)是可觀察到的”的氫氧化鉀蝕刻。

由于我們的樣品都有廣泛間隔的v型凹槽和緊密間隔的瓦輪模式，我們可以將觀察到的蝕刻行為與兩種掩模模式進(jìn)行比較。由于馬車輪圖案的角增量較粗糙，我們不能從緊密間隔的圖案中引用{111}蝕刻的活化能的定量值。然而，對于{111}和{100}蝕刻的相對活化能，我們可以做出一個(gè)強(qiáng)有力的定性陳述。圖5顯示了在兩次蝕刻溫度下進(jìn)行蝕刻后的馬車-車輪模式。虛線圈表示平面的橫向切割程度；這些圓的半徑成正比。

結(jié)論

通過比較從馬車輪和分離的v槽模式測量的反應(yīng)速率，我們得出結(jié)論，由于反應(yīng)物運(yùn)輸?shù)挠绊憸p少，從分離的v槽模式測量的{111}平面附近的反應(yīng)速率提供了更準(zhǔn)確的估計(jì)，即表面反應(yīng)速率有限的活化能。我們在35%的氫氧化鉀中進(jìn)行了各向異性硅蝕刻實(shí)驗(yàn)，結(jié)果是{100}平面的活化能為0.62eV，{111}平面的活化能為0.53eV。車輪模式的定性結(jié)果顯示，{111}上的活化能高于{100}上，與以前報(bào)道的結(jié)果一致。
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