ATTACCO ANISOTROPO IN KOH III Caratterizzazione dell’Attacco in KOH
In questo lavoro di tesi è stato caratterizzato l’attacco del silicio con orientazione <110> in soluzioni binarie KOH H O2 e ternarie KOHH O IPA2 .
É stato investigato il cambiamento della velocità di attacco al variare della concentrazione di KOH nella soluzione di attacco e della temperatura per entrambi i sistemi considerati.
Per le soluzioni ternarie KOH H O IPA2 non è stata considerata la variazione della velocità di attacco con la concentrazione di isopropanolo: sono stati condotti attacchi in soluzioni sature in isopropanolo. La solubilità dell’ isopropanolo nelle soluzioni di KOH è infatti molto bassa, circa 3%
in peso (%wt.) ad 80 C (Bibl. 5): aggiungendo isopropanolo ad una soluzione di KOH si ottengono quindi due fasi: isopropanolo puro e la soluzione KOH H O IPA2 , satura in isopropanolo. Questo garantisce la stabilità della concentrazione di isopropanolo in soluzione, e permette quindi di trascurare la volatilità dell’alcole.
Sono stati condotti un totale di 20 attacchi, i cui parametri e risultati sono presentati nella Tab.
I:
Tab. I
III.1Passi di processo
Negli esperimenti sono stati impiegati wafer di Si Czochralski da 3 pollici di tipo n con orientazione
110 , spessore 356-406 e resistenza per quadro 1-20m .Per il mascheramento è stato utilizzato SiO2 cresciuto termicamente: è stato infatti mostrato (2) che la velocità di attacco dell’ossido termico è minore di quella dell’SiO2 depositato per CVD.
III.1.1 Preparazione dei Campioni
Dopo il LAVAGGIO IN ULTRASUONI, il wafer viene sottoposto ad OSSIDAZIONE TERMICA DRY o WET.
I campioni numero 401, 402, 403, 412, 413, 434, 439, 441, 445, 452 sono stati ricavati da un wafer sottoposto ad ossidazione wet alla temperatura di 950°C per 30 minuti: lo strato di
SiO2 cresciuto è spesso circa 200nm.
I campioni numero 455, 456, 457, 460, 466, 468, 469, 472, 481 sono stati ricavati da un wafer sottoposto ad ossidazione dry alla temperatura di 1000°C per 40 minuti: lo strato di SiO2
cresciuto è spesso circa 60nm.
Dopo l’ossidazione, il wafer deve essere tagliato per ricavarne campioni di dimensioni opportune.
Fig. 1: Linee di taglio rispetto al flat del wafer del Si [110] tipo n.
III.1.2 Taglio dei Campioni
Il taglio si esegue mediante una piccola incisione del wafer con una punta diamantata, seguita da forzatura per spezzare il cristallo lungo la linea incisa.
Questo tipo di taglio ha successo se le linee incise sono allineate con i piani
111 , ortogonali al substrato (
1 11 ,
111 ,
11 1
e
1 1 1
: vedi par. I), che offrono maggiore resistenza agli stress: i campioni ricavati sono dunque romboidali.Fig. 2: Forma di un campione ricavato dal wafer con orientazione
111 .III.1.3 Litografia
Il campione di Si così ottenuto viene sottoposto a LAVAGGIO IN ULTRASUONI, dopodiché vi viene steso il resist.
Il campione numero 401 è stato litografato con FOTOLITOGRAFIA, mentre tutti gli altri con EBL.
Sui campioni 402, 403, 412, 413 è stato steso il MONOLAYER 6%, e sono stati scritti a bassa risoluzione, ad ingrandimento 40X.
Sui campioni 434, 439, 441, 445, 452, 455, 456, 457, 460, 466, 472 è stato steso il BILAYER 3%, e sono stati scritti ad alta risoluzione, ad ingrandimento 400X.
Sui campioni 468, 469, 481 è stato steso il BILAYER 1.5%, e sono stati scritti ad alta risoluzione, ad ingrandimento 400X..
Le geometrie scritte consistono in gruppi di rettangoli con un lato molto maggiore dell’altro, allineati in modo tale che il lato maggiore sia parallelo ad uno dei piani
111 ortogonali al substrato (Fig. 3).Fig. 3: Rappresentazione schematica della vista dall’alto di un campione dopo il passo di litografia: le aree rettangolari più scure sono quelle in cui il resist è stato impresso e sviluppato, lasciando scoperto l’SiO2.
Tab. II III.1.4 Attacco dell’Ossido
L’ossido di silicio rimasto esposto dopo il passo di litografia (Fig. 3) viene sottoposto ad un attacco umido isotropo a temperatura ambiente in una soluzione BHF (Buffered HF), con la seguente composizione chimica: 34.6% wt. di floruro di ammonio (NH F4 ), 13.8% wt. di acido fluoridrico (HF) al 48%, 51.7% wt. di acqua deionizzata.
Fig. 4: Vista della sezione A-A’ della Fig. 3 di un campione dopo l’attacco BHF.
La velocità di attacco dell’ossido in tale soluzione è di circa 100nm/ min: il tempo di attacco scelto è stato dunque 5 minuti per i campioni con ossido spesso, e 75 secondi per quelli con ossido sottile (si veda la Tab. II).
Questi tempi di attacco non devono però essere presi rigorosamente in considerazione, poiché gli attacchi sono stati portati a temperatura ambiente senza termostatare la soluzione (la cui velocità di attacco in funzione della temperatura ha un andamento tipo Arrhenius), ed il ripetuto uso della soluzione ne cambia il comportamento in termini di velocità di attacco.
Fig. 5: Rappresentazione dettagliata dell’area inscritta nel cerchio tratteggiato in Fig. 3, nel caso che sul campione sia stato steso un bilayer di resist.
Dalla Fig. 5 si nota come, per l’isotropia dell’attacco BHF, il sottoattacco sia pari allo spessore di SiO2 cresciuto sul campione: S tox. Questa è una condizione ideale, in cui si suppone che il tempo di attacco sia esattamente pari a quello necessario a consumare lo strato di ossido: infatti, dal momento che non è stata effettuata una calibrazione rigorosa dei tempi di attacco, si attacca in genere per un tempo superiore a quello minimo (overetch), per cui si ha S tox.
S limita inferiormente la minima dimensione delle geometrie che possono essere ottenute con questo processo: per questo (ma anche per un’altra motivazione più determinante, che sarà chiarita nel par.
III.1.6), è stato deciso di ridurre le dimensioni dell’ossido termico cresciuto da 200nm a 60nm.
III.1.5 Attacco in KOH
Dopo l’attacco in BHF, viene effettuato lo strip del resist, immergendo il campione in acetone e risciacquandolo in IPA (Fig. 6)
Fig. 6: Rappresentazione della sezione del campione dopo lo strip del resist.
Le soluzioni di attacco sono state preparate con idrossido di potassio di PM=56.11, isopropanolo di PM=60.097 e acqua deionizzata del deionizzatore Milli-Q (ACADEMIC).
Gli attacchi alla temperatura di 0°C sono stati condotti in un bagno termico costituito da acqua deionizzata alla temperatura di transizione di fase solido-liquido, mediante il sistema illustrato in Fig.
7.
Fig. 7: Sistema usato per gli attacchi a 0°C.
Gli attacchi a temperatura 28°C, 38°C e 45°C sono stati condotti nel bagno termostato HAAKE DC50 (ENCO).
III.1.6 Allineamento
Su un wafer
110 , la velocità di sottoattacco laterale aumenta molto velocemente in funzione del disallineamento angolare nell’intorno dei suoi minimi assoluti sui piani
111 (Fig. 8): per applicazioni in cui sono importanti alti rapporti di aspetto (AR), è quindi cruciale un preciso allineamento angolare.Fig. 8: Velocità di sottoattacco in funzione dell’orientazione su un wafer di Si
111 attaccato in una soluzione al 50% wt di KOH, alla temperatura di 78°C (Bibl. 2).In questo lavoro di tesi non è stato giudicato importante raggiungere un alto AR. Lo scopo della caratterizzazione dell’attacco in KOH su Si
110 è stato infatti quello di ottenere scavi profondi qualche decina di nm: l’aumento della larghezza dello scavo dovuto al basso AR è stato quindi considerato tollerabile, perché dell’ordine del nm (si deve comunque notare che il sistema di rotazione meccanica del SEM ha una risoluzione angolare troppo bassa, pari a 0.1º, per rendere possibile un allineamento angolare fine).L’allineamento angolare delle strutture litografate è stato compiuto manualmente, allineandosi ad ingrandimento 550X sul bordo del campione ortogonale alla direzione 111.
Perché questo processo potesse essere utilizzato per la fabbricazione di una giunzione tunnel (vedi cap. IV), era importante che permettesse di ottenere uno scavo con pareti e fondo quanto più possibile lisci.
L’irregolarità delle pareti dello scavo è stata imputata all’irregolarità della maschera di SiO2: per minimizzarla si è quindi progressivamente aumentata la risoluzione del processo litografico, passando dalla fotolitografia, all’EBL a bassa risoluzione, a ad alta risoluzione, ed infine ad ultra alta risoluzione, e si è diminuito lo spessore dell’ossido, da circa 200nm, a circa 60nm.
Fig. 9: Riduzione dell’irregolarità delle pareti laterali dello scavo: la foto di destra si riferisce al campione 413, che è stato litografato con EBL a bassa risoluzione ed attaccato in una soluzione di KOH H O2 al 50% wt. a 0°C per 60 minuti; la foto di sinistra si riferisce al campione 426, che è stato attaccato nello stesso modo, ma litografato con EBL ad alta risoluzione.
III.1.7 Misura degli Spessori
Per misurare la profondità degli scavi, il campione è stato tagliato con la punta diamantata lungo il piano
1 11 , in modo tale che la linea del taglio intersechi l’area attaccata, come mostrato in Fig. 10.Fig. 10: Taglio del campione: la linea di taglio è rappresentata dalla linea tratto-punto.
A questo punto si è montato uno dei pezzi ottenuti sul portacampioni del SEM, che permette di vedere i campioni di taglio.
Fig. 11: Rappresentazione della sezione del campione alla fine del processo.
Fig. 12: Montaggio del campione sul portacampioni.
CAMPIONE
VITE PER IL FISSAGGIO DELCAMPIONE
1 11MORSA
VITI PER IL FISSAGGIO DELLA MORSA
III.1.8 Riepilogo del Processo
I passi di processo possono essere cosi riassunti e schematizzati:
1. Ossidazione termica
2. Litografia
3. Attacco dell’SiO2 in BHF
4. Strip del resist
5. Attacco anisotropo del Si in KOH
Il valor medio e la deviazione standard delle velocità di attacco verticale nel substrato di Si
111 che si sono ottenuti in questo lavoro di tesi sono riportati in Tab. IIITab. III III.2Dipendenza dalla Temperatura
La dipendenza dalla temperatura della velocità di attacco verticale delle soluzioni KOHH O2
e KOH H O IPA2 su un substrato
110 è di tipo Arrhenius (Bibl. 2):0exp a
B
R R E
K T
dove KB è la costante di Boltzmann, e T la temperatura assoluta in Kelvin.
I valori per l’energia di attivazione Ea ed il fattore preesponenziale R0, che dipendono dalla composizione e dalla concentrazione della soluzione di attacco, devono essere determinati con il fitting della sui dati sperimentali.
In questo lavoro di tesi sono stati determinati i valori di Ea ed R0 per la soluzione KOHH O2 35%wt di KOH e per la KOH H O IPA2 35%wt di KOH.
III.2.1 Attacco in KOHH O IPA2
Per la soluzione KOH H O IPA2 35%wt di KOH, sono stati ottenuti i seguenti dati:
Effettuando il fitting Levenberg-Marquardt della funzione sui dati della Tab. I, sono stati ottenuti i seguenti valori per i parametri Ea ed R0:
0.82eV Ea
13 0 3,1 10 m/h R
0,0031 0,0032 0,0033 0,0034
0,01 0,1 1 10 100
35% KOH+IPA
VELOCITA'DIATTACCO(m/h)
1/T (K-1)
DATI SPERIMENTALI RISULTATI DEL FITTING
50 40 30 20
TEMPERATURA (°C)
Fig. 1: Dipendenza dalla temperatura della velocità di attacco verticale della soluzione KOH H O IPA2 al 35% wt di KOH su un substrato
110 .III.2.2 Attacco in KOH H O2
Per la soluzione KOH H O2 35%wt di KOH, sono stati ottenuti i seguenti dati:
Tab. II
Per ottenere i valori dei parametri Ea ed R0, non è stato in questo caso effettuato il fitting Levenberg- Marquardt della funzione sui dati della Tab. II, ma semplicemente un fitting lineare della funzione:
0ln ln a
B
R R E
K T sui dati della Tab. III:
Tab. III
Che ha dato come risultato i valori di ln R
0 ed aB
E
K , dai quali si è ottenuto:
0,62eV Ea
10 0 7,12 10 m/h R
0,0031 0,0032 0,0033 0,0034 0,0035 0,0036 0,0037 0,0038 0,01
0,1 1 10 100
35% KOH
TEMPERATURA (°C)
VELOCITA'DIATTACCO(m/h)
1/T (K-1)
DATI SPERIMENTALI RISULTATI DEL FITTING
50 40 30 20 10 0 -10
Fig. 2: Dipendenza dalla temperatura della velocità di attacco verticale della soluzione KOH H O2 al 35% wt di KOH
È opportuno a questo punto giustificare la scelta compiuta per il tipo di fitting da cui si sono ottenuti i valori di Ea ed R0.
Se si fosse deciso di effettuare il fitting lineare della sui dati relativi agli attacchi compiuti nella soluzione KOH H O IPA2 35%wt di KOH, si sarebbe dovuto scartare il dato relativo a T 0 C, perché a tale temperatura si è ottenuto R0m h/ , e quindi ln R
.Se, dall’alto lato, si fosse deciso di effettuare il fitting Levenberg-Marquardt della funzione sui dati della Tab. II, relativi agli attacchi compiuti nella soluzione KOH H O2 35%wt di KOH, l’affidabilità dei risultati ottenuti sarebbe stata minore, dal momento che si hanno a disposizione dati relativi a due sole temperature.
Dai risultati ottenuti nelle sezioni precedenti si ricava che, saturando in IPA una soluzione di KOH, si riduce di circa il 90% la velocità di attacco verticale su substrati
110 : in Fig. 1 viene presentato un grafico riassuntivo.
0,0028 0,0030 0,0032 0,0034 0,0036 0,0038
0,01 0,1 1 10
100
TEMPERATURA (°C)
35% KOH+IPA Ea=0.82eV R0=3.1*1013m/h
VELOCITA'DIATTACCO(m/h)
1/T (K-1)
35% KOH Ea=0.62eV
R0=7.12*1010m/h
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10
Fig. 1: Dipendenza dalla temperatura della velocità di attacco verticale su un substrato
110 .della soluzione KOH H O2 al 35% wt di KOH (linea tratteggiata) e della soluzione KOH H O IPA2 al 35% wt di KOH (linea continua).III.3Influenza di Composizione e Concentrazione
Si consideri l’equazione proposta da Seidel (Bibl. 2) per il calcolo della velocità di attacco:
14
40 2 exp a
B
R k KOH H O E
K T
con:
KOHsol
KOH n
V
2
2H O sol
H O n
V
KB è la costante di Boltzmann, e T la temperatura assoluta in Kelvin.
Le costanti k0 e Ea sono parametri il cui valore deve essere ricavato con il fitting della sui dati raccolti.
In base alla , la velocità di attacco è una funzione di tre variabili:
; 2 ;
RR KOH H O T
Per migliorare l’affidabilità dei valori ottenuti dal fitting, è però necessario operare con una funzione di una sola variabile: si deve quindi eliminare innanzitutto la dipendenza dalla temperatura, fissandola ad un valore costante T T0, ed esprimere poi la concentrazione molare di uno dei componenti della soluzione in funzione di quella dell’altro.
Considerando i dati relativi alla velocità di attacco che sono stati raccolti in questo lavoro di tesi (Tab. III del paragrafo III.1), si è scelto come temperatura di attacco T0 273.15K .
Si è infine scelto di esprimere
H O2
in funzione di
KOH
:
H O2
f
KOH
La è quindi diventata:
; ; 273.15
RR KOH f KOH
Si esprima il volume totale della soluzione Vsol in funzione del numero di moli di KOH e diH O2 , e dei loro volumi molari parziali (Bibl. 11):
2 2
m m
sol KOH KOH H O H O
V n V n V
2 cos
H O
m sol
KOH
KOH n t
V dV
dn
2
2 KOH cos
m sol
H O
H O n t
V dV
dn
Il procedimento per la determinazione di f KOH
si fonda sull’assunzione che sia lecito trascurare la dipendenza dei volumi molari parziali dalla composizione della miscela, e dalla temperatura: si ottiene pertanto:
; 2 ; ;
m m
KOH KOH H O KOH
V n n p T V p
2 ; 2 ; ; 2
m m
H O KOH H O H O
V n n p T V p
dove p è la pressione, che viene considerata costante e pari a 1atm.
Per ricavare VKOHm alla temperature d’interesse T0 273.15, si è misurato a temperatura ambiente (avendo assunto i volumi molari parziali costanti con la temperatura) al variare della molalità del KOH (ovvero il numero di moli di KOH per 1000g di H O2 ) il volume Vsol di soluzioni tali che la massa di H O2 in esse presente fosse costante e pari a 1000g, ottenendo i seguenti dati:
Tab II
Per il calcolo del numero di moli ci si è riferiti ai seguenti pesi molecolari:
56,11PM KOH
2
18,016 PM H O Per le soluzioni considerate, Vsol può essere espresso come:
2
2m 1000 m
sol KOH KOH H O
V m V V
PM H O
con mKOH nKOH, la molalità del KOH.
8 10 12 14 16 18 20 22
1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550
KOH+H2O
V sol (ml)
mKOH (mol/kg)
DATI SPERIMENTALI RISULTATI DEL FITTING
Fig. 1: Vsol in funzione della molalità del
KOH
per soluzioni tali che la massa di H O2 in esse presente sia costante e pari a 1000gSi può quindi ricavare il valore di VKOHm dal coefficiente angolare della retta che interpola i dati (Fig. 1), ed usare la per ricavare VH Om2 , ottenendo:
23.509ml
m
VKOH
2 18,445ml
m
VH O
A questo punto si è in grado di esprimere la molarità di H O2 in funzione di quella del KOH, infatti:
2 2
2 2
2
H O H O
m m
sol KOH KOH H O H O
n n
H O V n V n V T
22 2
2
H O
m m
KOH KOH H O H O
H O n
m V n V
2 2
KOH
m m
KOH KOH H O H O
KOH m
m V n V
con 2
2
1000 55,506
nH O
PM H O
.
Invertendo la , si ottiene mKOH in funzione di
KOH
:
2 21
m H O H O
KOH m
KOH
KOH n V m KOH V
Sostituendo la nella si ottiene finalmente
H O2
in funzione di
KOH
, ovvero la
f KOH :
2
2
1 KOHm
m H O
KOH V H O f KOH
V
III.3.2 Fitting dell’Equazione di Seidel Sostituendo la nella , si ottiene la forma esplicita della :
2
4 1
0 4
0
1 exp
m
KOH a
m
B H O
KOH V E
R k KOH
V K T
che, esplicitando le costanti, diventa:
14
40 54.215 1.275 exp
0.0235 Ea
R k KOH KOH
I dati relativi alla velocità di attacco di soluzioni di H O2 e KOH alla temperatura
0 273.15
T K raccolti in questo lavoro di tesi sono:
Tab. III
Effettuato il fitting Levemberg-Marquardt della funzione sui dati della Tab. III sono stati ottenuti i seguenti valori per i parametri empirici k0 e Ea:
4.250 2967 m/h mol/l
k
0.59eV Ea
0 2 4 6 8 10 12 14
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
0,30
T=273.15K
Velocità di Attacco (m/h)
[KOH] (mol/l)
DATI SPERIMENTALI RISULTATI DEL FITTING
Fig. 2: Grafico dell’ equazione di Seidel per k0 2967 m/h mol/l
4.25 e Ea 0.59eV (linea continua), e dati sperimentali (■).IV Rugosità superficiale
La rugosità delle superfici attaccate è un effetto di pseudomascheramento, ovvero è dovuta a un qualsiasi tipo di maschera non litografica che copre una parte della superficie in modo casuale e temporaneo.
Lo pseudomascheramento è imputabile a molti possibili fattori: non uniformità dell’ossido nativo;
residui rimasti sulla superficie in seguito a processi di pulizia; difetti nel cristallo di Si; bolle di H2 che si accrescono sulla superficie durante l’attacco; diffusione di H O2 e OH verso la superficie, e di silicati via dalla superficie; legami Si-H e Si-F presenti sulla superficie dopo un attacco in HF e la pulizia in H O2 .
Il primo studio sistematico e dettagliato della rugosità delle superfici attaccate in KOH, dovuto a E. D. Palik (1991) (Bibl. 3), attribuisce la causa della rugosità alla formazione di bolle di H2.
Durante l’attacco si possono vedere bolle di H2 che si accrescono sulla superficie del Si: per tutto il tempo che queste bolle rimangono sulla superficie, dall’inizio del loro accrescimento al momento del distacco, costituiscono una barriera per l’H O2 e l’OH.
Le caratteristiche delle bolle sono funzione sia delle proprietà della soluzione d’attacco, come la molarità, la tensione superficiale, la densità, la solubilità dell’H2, la temperatura, il mescolamento (indipendentemente dal modo in cui esso sia realizzato), che dalle proprietà della superficie, come le condizioni di bagnabilità o la natura dei siti di nucleazione.
In questo lavoro di tesi è stato osservato il comportamento della rugosità superficiale al variare della composizione soluzione di attacco, e della temperatura, ottenendo i risultati presentati in Fig. 1.
Come si vede, aumentando la concentrazione di KOH e la temperatura, si ottiene un miglioramento della superficie del fondo sia con soluzioni KOH H O2 , che KOH H O IPA2 .
A parità di concentrazione di KOH e temperatura, si ottiene la rugosità minore in soluzioni stura di IPA
KOH H O
2KOH H O IPA
2
35%
43%
50%
55%
Fig. 1: Le superfici del fondo ottenute con attacchi a varie concentrazioni e temperature.
BIBLIOGRAFIA
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