SILICIUL MONOCRISTALIN

I.1. Proprietăţi mecanice

Siliciul monocristalin poate fi realizat virtual fără defecte iar sub presiune nu apar

deplasări ale liniilor de dislocaţie din reţeaua cristalină. Aceasta înseamnă că la temperatura

ambientală, Si poate fi deformat doar din punct de vedere elastic. Cuplând această proprietate cu

o limită de curgere extrem de ridicată (comparabilă cu cea a oţelului), Si devine un material

superior oricărui metal în majoritatea aplicaţiilor. Ca urmare Si a fost utilizat cu succes pe post

de material structural al senzorilor mecanici, în special în ultimii 15 ani.

Cele mai importante caracteristici care au facut din Si un deziderat în domeniul senzorilor

mecanici sunt:

limita de curgere mai bună ca a oţelului şi o densitate mai mică decât cea a aluminiului

duritatea sa este puţin mai mare decât a oţelului inoxidabil; se apropie de cea a quarţului

şi este mai mare decât cea a majorităţii sticlelor.

Proprietăţi cristalografice Structura cristalină

Siliciul cristalin formează o structură cu legături covalente, structură cubică de tip

diamant, care are acelaşi aranjament atomic cu al carbonului sub formă de diamant, şi se

încadrează în clasificarea mai generală a amestecurilor de zinc. Siliciul, cu cele patru legături

covalente, se autocoordonează tetraedric, iar aceste tetraedre formează împreună structura cubică

de tip diamant. Această structură poate fi reprezentată ca două reţele cristaline cubice cu feţele

centrate întrepătrunse, una deplasată de (1/4,1/4,1/4) a ori faţă de cealaltă. Structura este cubică

cu feţele centrate (FCC = Face-Centered Cubic), dar cu doi atomi în celula elementară.

Constanta de reţea a pentru siliciu are valoarea 5.4309Å iar reţeaua sa cristalină cubică de tip

diamant este surprinzător de larg deschisă, cu o densitate de împachetare de 34%, în comparaţie

cu 74% pentru o reţea uzuală de tip FCC. Planele (111) prezintă cea mai mare densitate de

împachetare iar atomii sunt astfel orientaţi încât trei legături sunt situate dedesubtul planului. În

adaos la structura cubică tip diamant, siliciul este cunoscut ca având multiple faze cristaline

stabile la presiuni ridicate şi o fază metastabilă la stres indus cu o structură de tip diamant,

hexagonală.

La comandarea plachetelor de siliciu, orientarea cristalografică trebuie specificată. Cele

mai comune orientări utilizate în industria IC sunt <100> şi <111>; în microprelucrări sunt

utilizate şi cele cu orientarea <110> destul de mult. Placheta utilizată în partea experimentală a

acestei lucrări are orientarea <100>. Plachetele <110> se rup sau se taie mult mai curat decât cele

cu alte orientări. Mai mult, este singurul plan care poate fi tăiat cu margini perfect

perpendiculare. Plachetele <111> sunt mai puţin utilizate, întrucât nu pot fi cu uşurinţă corodate

cu agenţi umezi de corodare exceptând situaţia în care aceasta este asistată de laser [13].

Pe o plachetă de tip <100>, direcţia <110> este adesea indicată printr-un flat (segment

plat), adesea numit flat de orientare cu o precizie de aproximativ 3 grade. Poziţia flat-ului pe

plachetele cu orientarea <110> variază de la producător la producător dar este adesea paralelă cu

direcţia <111>. Exemple de flat-uri de pe plachete sunt ilustrate în figura I.2.1.1. .

Figura 1. Flat-uri primare şi secundare pe plachete de siliciu

I.2.2. Indicii Miller

Planele cristalografice sunt caracterizate de seturi de trei indici, aşa numiţii indici Miller.

Aceştia descriu vectori normali la planele cristalului în cauză. Spre exemplu într-o reţea

cristalină cubică se regăsesc atomi de-a lungul direcţiilor x, y, z la o distanţă egală cu un multiplu

întreg al constantei de reţea a.Vectorii ax şi ay delimitează un plan la care vectorul az este normal,

plan la care se face referire ca fiind (001). În mod similar, direcţia <011> este normală la planul

format de vectorii ax şi (ay + az). În final, (111) este normal la planul format de vectorii (ax +

az) şi (ay + az) [32]. Indicii Miller sunt componentele celulei elementare în reţeaua inversă.

Planele (100), (110), (111) sunt prezentate în figura I.2.2.1. .

Figura 2. Familia planelor (100), (110), (111) în reţelele cubice

De mare importanţă pentru corodarea anizotropă sunt orientările planelor cristalografice

relevante cu privire la direcţiile de interes. Planul (111) este de departe planul cu cea mai mică

viteză de corodare, tocmai de aceea este necesar să se cunoască unghiurile pe care le face acest

plan cu orientările plachetelor în cazul corodării acestora. Pentru domeniul micromecanicii două

plane sunt importante: (100) şi (110) [11].

Orientările pot fi uşor calculate utilizând produsul scalar al orientărilor plachetelor cu

multiplele planuri (111) , din moment ce

.

De exemplu unghiul dintre (111) şi (001) este:

Orientările planelor (111) pot fi determinate de asemenea prin inspecţia directă a celulei

cubice simple elementare. Această operaţie necesită puţină experienţă însă cele mai importante

rezultate sunt rezumate în figurile I.3.2.2. şi I.3.2.3. după cum urmează:

Figura I.2.2.2. Planele (111) în plachetele cu orientarea <100>

Figura I.2.2.3. Planele (111) în plachetele cu orientarea <110>

PROCESUL DE CORODARE UMEDĂ ANIZOTROPĂ A SILICIULUI

Primul pas în procesul de corodare al unei plachete îl constituie generarea măştilor.

Referitor la acest pas trebuiesc făcute întâi următoarele două precizări:

1. Pentru proiectarea CI este suficientă generarea de şabloane rectangulare orientate paralel

la o anumită direcţie. Acest lucru este insuficient însă pentru domeniul micromecanicii

deoarece acest tip de sisteme nu permit generarea cu uşurinţă a tiparelor netede de

exemplu a formelor triunghiulare sau curbate.

2. Trebuie avută în vedere dimensiunea minimă a structurii care se doreşte a fi realizată. În

general este destul de dificil de obţinut dimensiuni reale la fel de mici pe cât permit

aceste sisteme principial.

Etape

Să presupunem că avem la dispoziţie o plachetă proaspăt scoasă din cutia în care a fost

livrată de fabricant. Această plachetă nu va fi mai fi niciodată mai curată decât a fost înainte să o

manipulăm cu penseta. Pentru început trebuie depus materialul ce va servi pe post de mască la

corodare. Cea mai uşoară cale este creşterea unui oxid termic într-un cuptor termic.. Rata de

creştere a oxidului (mai exact: dioxid de siliciu, dar în laboratoare sau literatură este adesea

întâlnit sub denumirea simplă de oxid) este puternic dependentă de temperatură. Procesul ce

controlează această rată este reprezentat de difuzia atomilor sau moleculelor de oxid înspre

stratul de dioxid de siliciu aflat în creştere.

Creşterea oxidului În procesul de creştere umedă, se adaugă aburi la oxigenul ce curge

prin tub. Cea mai simplă metodă de a adăuga aceşti aburi este direcţionarea oxigenului

prin apa demineralizată aflată aproape de punctul de fierbere. Vaporii de apă măresc rata

de creştere considerabil.

Grosimea impusă a filmului de oxid depinde de un număr de factori. Pentru următorul

pas al procesului de corodare trebuie avută în vedere rata de corodare a oxidului

Depunerea fotorezistului Pe ambele feţe ale plachetei oxidate trebuie depus prin

centrifugare fotorezist, dacă se poate negativ. Producătorii de fotorezişti preferă utilizarea

unui strat intermediar (numit promotor de aderenţă) între plachetă şi rezist dat fiind faptul

că acesta nu aderă prea bine la substrat dacă mediul este umed sau dacă placheta a fost

scufundată anterior în apă. În cele din urmă, placheta ar trebui tratată bine la temperaturi

de peste 100°C timp de aproximativ o oră. În primul caz, promotorul ajută, dar un control

mai bun al umidităţii mediului (40% umiditate) este mai indicat.

În mod obişnuit, placheta cu rezist depus trebuie tratată la 90°C timp de 10 minute înainte

de depunerea prin centrifugare pe cealaltă parte a plachetei sau de pasul impresionării.

Tratarea se poate face pe plite fierbinţi sau în etuve. Acest pas este de obicei numit

“precoacere”.

Impresionarea rezistului Această etapă impune adesea alinierea şablonului măştii cu

flat-ul plachetei, sau cu şabloane deja existente pe plachetă. Uneori (de fapt destul de des)

este necesar să se alinieze masca cu reperele de aliniere de pe spatele plachetei.

Alinierea nu este deloc nesemnificativă. Dacă într-un proces marja de eroare în aliniere

trebuie să fie mai mică de 10 µm se vor experimenta dificultăţi în realizarea acestui scop.

De aceea sunt de preferat procesele care nu necesită aliniere.

Developarea + postcoacere După impresionare plachetele sunt developate, clătite în apă,

uscate prin suflare, şi tratate încă o dată, tipic la 120°C timp de 20 de minute. Acest pas

poartă denumirea uzuală de “postcoacere”. Temperaturi mai ridicate sau un timp de

tratare mai îndelungat fac mai dificilă înlăturarea rezistului care tinde să curgă.

Corodarea selectivă a oxidului După postcoacere oxidul poate fi corodat într-o soluţie de

HF. Şi aici reţetele pot varia: Unii utilizează HF tamponat, un amestec de 49% soluţie

apoasă de HF şi 7 părţi de NH4F. Această soluţie nu atacă siliciul deloc. Soluţiile apoase

de HF cu concentraţii mari tind să corodeze uşor siliciul. Curăţarea oxidului se face la

temperatura camerei iar rata de corodare a oxidului în BHF este în principiu 6 µm/h. De

reţinut că rezistul nu suportă prea bine interacţiunea cu HF tocmai de aceea unii repetă

postcoacerea după 15 minute în BHF pentru a prelungi durata de viaţă a stratului de

rezist.

Procesul de corodare a oxidului este destul de strict: dacă placheta nu a fost destul de

uscată sau curată, rezistul se va coji în timpul corodării în BHF.

Apa reacţionează destul de diferit cu o suprafaţă de oxid faţă de una de siliciu. Siliciul

pur nu suportă apa prea bine, aceasta nu udă perfect siliciul restrângându-se sub formă de

picături. În schimb pe suprafeţele de oxid apa se uniformizează perfect udând în

întregime oxidul.

Următoarea acţiune se face pentru a vedea dacă procesul de corodare a oxidului s-a

încheiat sau nu: dacă placheta este scufundată în apă demineralizată, apa se va retrage

din regiunile deschise dacă oxidul este corodat în întregime. Se recomandă verificarea

rezultatelor corodării la un microscop optic, pentru a vedea dacă întreg oxidul este

corodat - dacă suprafaţa nu mai este udă mai pot totuşi exista insule mici de oxid.

Îndepărtarea rezistului Dacă etapa de curăţare a oxidului are rezultate satisfăcătoare, se

poate trece la curăţarea rezistului. Aceasta se poate face în acetonă dacă postcoacerea nu

a fost prea îndelungată sau la o temperatură mult prea ridicată. Dacă temperatura este

totuşi prea mare rezistul trebuie înlăturat prin ardere într-o plasmă cu oxigen.

Curăţarea plachetei Înainte de corodarea siliciului se recomandă curăţarea plachetelor

după o procedură standard. Procedura RCA1 şi RCA2 constă în:

RCA1: o parte NH3 (25% soluţie apoasă) în 5 părţi apă, încălzire până la punctul de

fierbere, se adaugă o parte H2O2 şi apoi se scufundă placheta timp de 10 minute.

RCA2: o parte HCl în 6 părţi apă, încălzire până la punctul de fierbere, se adaugă o parte

H2O2 şi apoi se scufundă placheta timp de 10 minute.

N.B. NH3 corodează siliciul. Pentru a împiedica acest lucru se adaugă peroxid în soluţie

RCA1 înlătură toate resturile organice (rezist), iar RCA2 înlătură toţi ionii de metale.

Al doilea pas de curăţare este necesar pentru a feri contaminarea cu metale a tuburilor

cuptoarelor de oxidare termică şi de difuzie. Pentru o singură corodare pasul RCA2 nu

este necesar, însă RCA1 da.

Ambele procese de curăţare (şi altele precum tratarea în NH3) lasă pe plachete un film

subţire de oxid depus. Acesta trebuie înlăturat chiar înaintea corodării Si şi se poate

realiza prin imersarea de scurtă durată a plachetei într-o soluţie apoasă de HF. Această

soluţie nu va uda suprafeţele dezgolite de siliciu. Deci, dacă toată placheta este udată, mai

există încă oxid pe ele.

Corodarea propriu-zisă Placheta este scufundată în apă demineralizată şi apoi în agentul

corodant.

După corodare, placheta ar trebui să fie inspectată la microscop, la un analizor de

suprafaţă şi la orice alt aparat disponibil, iar apoi curăţată (RCA1+RCA2) înaintea altor

prelucrări. Întregul proces este rezumat în tabelul VII.1..

Tabel 1. Sumarul paşilor impuşi pentru procesul de corodare a unei membrane

Proces DuratăTemperatura

procesului (°C)

Oxidare variabilă (ore) variabilă (900-1200)

Centrifugare la 5000 RPM 20-30 sec 25

Precoacere 10 min 90

Impresionare 20 sec

Developare 1 min 25

Postcoacere 20 min 120

Corodare oxid (BHF = 1pHF + 7pNH4F) variabilă (cca. 10 min) 25

Îndepărtare rezist (în acetonă) 10-30 sec 25

RCA1

(1pNH3(25%) + 5pH2O + 1pH2O2)10 min Pct. fierbere

RCA2

(1pHCl+ 6pH2O + 1pH2O2)10 min Pct. fierbere

scufundare în HF (2%HF) variablă (10 sec) 25

Corodare Si variabilă (min până la o zi) 70 - 100

Un ultim comentariu asupra procedurii de curăţare RCA este necesar. Ionii de potasiu

sunt fatali pentru procesele din circuitele integrate, prin urmare corodarea cu KOH este

incompatibilă cu CI. De aceea în cele mai multe laboratoare CI este interzisă prelucrarea unei

plachete corodate în KOH. Există totuşi şi situaţii în care se face acest lucru dar prelucrarea se

realizează în afara laboratorului CI dar doar după o curăţare temeinică RCA1 şi RCA2.

Figura 1. Proces fotolitografic de bază